鱼游泳时“向下看”的视觉意义

新的模拟显示，鱼在游泳时向下看，因为它们下方稳定的河床提供了关于它们游泳方向和速度的更可靠的信息。

　　

   

   

视频:观看斑马鱼沿着移动的模式游泳，投影在它的鱼缸底部。这个实验提供了证据，证明鱼从下面获得视觉运动的线索。    

西北大学领导的国际合作组织的一项新研究证实，就像你走路时可能会往下看人行道一样，鱼在游泳时也会往下看。

这项研究首次将模拟斑马鱼的大脑、原生环境和空间变化的游泳行为结合到一个计算模型中。通过分析这个模型，研究人员得出结论，这种在向前游泳时向下看的怪癖是一种适应性行为，它进化来帮助鱼自我稳定，就像在逆流游泳时一样。

当水流动时，鱼会不断地试图自我稳定以保持在原地，而不是被流动的水流冲走。专注于其他鱼、植物或碎片可能会给鱼一种它在移动的错误感觉。然而，它们下面稳定的河床给了鱼关于它们游泳方向和速度的更可靠的信息。

“这就像坐在一节静止的火车车厢上。如果你旁边的火车开始驶离车站，你就会误以为自己也在开动。来自另一列火车的视觉暗示是如此强烈，以至于它超越了你所有其他感官告诉你你正静坐的事实。这和我们在鱼身上研究的现象完全一样。在它们上面有许多误导性的运动信号，但最丰富和可靠的信号来自河底，”Emma Alexander说。她是西北大学麦考密克工程学院计算机科学助理教授，在那里她管理着生物启发视觉实验室。

这项研究发表在Current Biology杂志。

为了进行这项研究，Alexander和她的合作者把注意力集中在斑马鱼上，斑马鱼是一种被广泛研究的模式生物。但是，尽管许多实验室都有装满斑马鱼的水箱，该团队还是想专注于这种鱼在印度的原生环境。

“最近发现，鱼对下方运动的反应比上方运动更强烈。我们想要深入挖掘这个谜团，并了解其中的原因。我们研究的许多斑马鱼都是在实验室的水箱中长大的，但它们的原生栖息地塑造了它们的大脑和行为的进化，所以我们需要回到源头，调查这种生物发展的背景。”

带着相机设备，该团队走访了印度各地的七个地点，收集斑马鱼自然生活的浅水河流的视频数据。现场团队将一个360度相机装入一个防水潜水箱中，并将其连接到一个遥控机械臂上。然后，他们用机械臂将相机投入水中并移动它。

Alexander说:“这让我们可以把眼睛放在鱼眼睛应该在的地方，所以我们看到的是鱼看到的东西。从视频数据中，我们能够模拟假想场景，模拟鱼在现实环境中任意移动。”

回到实验室后，研究小组还追踪了斑马鱼在一个Led球内的运动。因为鱼的视野很大，它们不需要像人那样移动眼睛四处看。因此，研究人员通过灯光播放运动刺激，观察鱼的反应。当鱼缸底部出现图案时，鱼会随着移动的图案游动——更多的证据表明，鱼是通过向下看来获取视觉线索的。

Alexander说:“如果你播放带有移动条纹的视频，鱼就会随着条纹移动。这就好像他们在说，‘等着我!“在行为实验中，我们计算了它们的尾巴跳动。它们越摇尾巴，就越想跟上移动的条纹。”

然后，该团队从视频中提取数据，并将其与运动信号如何被编码到鱼的大脑中的数据相结合。他们将数据集输入两种已有的算法，用于研究光流(或世界在我们眼睛或相机镜头上的运动)。

最终，他们发现在野外和实验室的两种情况下，斑马鱼在向前游时都是向下看的。研究人员得出的结论是，鱼类向下看是为了理解周围环境的运动，然后游泳来中和它——避免被冲走。

“我们把所有的东西结合到一个模拟中，结果表明，事实上，这是一种适应性行为，”Alexander说，他领导了这项研究的计算部分。“水面在不断移动，其他鱼类和植物也在移动。鱼最好忽略这些信息，专注于下面的信息。河床有很多纹理，所以鱼类可以看到它们可以跟踪的强烈特征。”

构建更好的机器人  

这些信息不仅让我们对鱼类的行为有了一些了解，它还可以为人工视觉系统和复杂的仿生机器人的设计提供信息。

Alexander说:“如果你正在制作一个以鱼为灵感的机器人，你只看它的解剖结构，你可能会想‘它的眼睛指向侧面，所以我要把相机指向侧面’但事实证明，眼睛向一边看是因为它们在平衡几项任务。我们认为它们向侧面看是因为这是一种妥协——它们向上看是为了捕猎，向下看是为了游泳。”

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