在群体研究中，一种新方法使得能够自动、非侵入性地以三维方式跟踪鱼类的眼动。研究人员解释了这对理解“群体规则”的重要性。
鱼群是集体动物行为的迷人例子。尽管每条鱼对周围环境的视野有限，但成千上万只个体几乎完美地同步移动。它们如何在获取最小局部信息的情况下实现这样的轻松协调？单条鱼在动态变化的群体中实际上感知到的视觉线索是什么？
来自“集体行为”杰出研究中心和马克斯·普朗克动物行为研究所的研究人员想要回答这些问题，并开发了一种深入观察鱼眼的新技术：他们的新三维眼动追踪方法是非侵入性的，能够完全自动地跟踪自由游动鱼类的眼动，仅需使用鱼的录像。
鱼眼的重要性
为什么知道鱼的视网膜视野在三维中是重要的呢？很简单：为了帮助我们理解“集体行为的规则”，我们需要估计群体个体成员可获得的信息。例如：鱼群的集体行为基于每条个体鱼所做的数千个决策。如果一条鱼改变了运动方向，是什么因素影响了这一决策？在它的视野中有哪些其他鱼是它定位的依据？而哪些鱼又会对此个体做出反应？鱼类集体遵循什么行为规则，它们的决策基于哪些感官感知？
在“集体行为”杰出研究中心的科学家们研究个体在集体中的相互作用的性质，从鱼群到鸟群，从蝗虫群到大规模穿越大陆的迁徙兽群。其研究设置的典型特点是，摄像机记录动物集体的动态，无论是在实验室还是在野外。研究人员随后利用计算机视觉分析录像：每个群体成员的位置和身体姿态每几毫秒由计算机算法追踪和评估，并进行比较。一个重要方面是重建每个个体的视野，因为这使得我们能够理解每个个体感知到的内容以及这是否影响了它们后续的运动。而这就是新眼动追踪方法发挥作用的地方。
视觉场的重建
重建自由游动鱼的视野并不是那么简单。仅仅追踪眼睛的位置是不够的；眼睛必须始终与动物的身体姿态相对定位。对科学家来说，特别重要的是不需要对动物进行任何干预，例如，不必为它们配备目镜。
“我们的新非侵入性方法满足了所有这些要求，”关键技术开发者之一的梁立说。“利用摄像头图像，我们首先重建鱼的三维身体姿态，其次是眼睛的精确位置——就像人类一样，眼睛可以在眼眶中移动——第三是重建它们的视网膜视角，以观察它们所看到的。”
新方法的一个主要优势是能够在三维中分析鱼类的行为。之前的方法通常基于二维图像，因此无法完全反映鱼群的三维特性。此外，对于鱼类没有任何干预：它们在水槽中自由游动时被摄像机简单地记录。至少需要两台摄像机，但使用许多摄像机，系统可以扩展到大型鱼缸——摄像机越多，分析越精确。
“理解动物如何感知其环境和与社会伙伴互动，对于揭示集体行为的机制至关重要，”梁立说。“我们的方法使得能够精准获取自由移动的鱼类的视觉感知。”
使用新方法
新方法已经在与金鱼的初步行为实验中使用，考察跟随前方游动的同伴金鱼的视野。“视网膜视角的重建揭示金鱼动态调整其眼动，以便前方游动的鱼始终保持在它们视网膜的中心，”对应发表在期刊《生物通讯》上的主要作者吴瑞恒解释道。
研究人员还注意到负同步眼动，这意味着眼睛朝相反方向移动，而不是并行工作。例如，当左眼关注邻近的鱼并跟随其运动时，右眼往往转向完全相反的方向。在未来的实验中，梁立想要找出其他鱼类是否也出现这种情况——以及掠食性鱼类在聚焦猎物时是否最终会协调两只眼睛。
