就像你走路时可能会俯视人行道一样，鱼在游泳时会向下看，由西北大学领导的国际合作组织的一项新研究证实了这一点。
该研究首次将斑马鱼大脑、原生环境和空间变化的游泳行为的模拟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，这种怪癖——向前游泳时向下看——是一种适应性行为，它进化为帮助鱼自我稳定，就像逆流游泳时一样。
随着水的流动，鱼不断地试图自我稳定以保持原位 - 而不是在流动的溪流中被冲走。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，它们下方稳定的河床为鱼类提供了有关其游泳方向和速度的更可靠信息。
这类似于坐在一动不动的火车车厢上。如果你旁边的火车开始驶离车站，它可能会让你误以为自己也在移动，西北大学的艾玛·亚历山大说，他领导着学习。来自另一列火车的视觉提示是如此强烈，以至于它超越了你所有其他感官都在告诉你你坐着不动的事实。这与我们在鱼中研究的现象完全相同。上面有许多误导性的运动提示它们，但最丰富、最可靠的信号来自河底。
该研究将于 11 月 2 日发表在《当代生物学》杂志上。
Alexander 是西北大学麦考密克工程学院的计算机科学助理教授，她在那里经营着 Bio Inspired Vision Lab。
回到源头
为了进行这项研究，亚历山大和她的合作者专注于斑马鱼，这是一种经过充分研究的模式生物。但是，尽管许多实验室都有装满斑马鱼的水箱，但该团队希望专注于斑马鱼在印度的原生环境。
最近发现，鱼对下方运动的反应比对上方运动的反应更强烈。我们想深入研究这个谜团并了解原因，亚历山大解释道。我们研究的许多斑马鱼都是在实验室水箱中长大的，但它们的原生栖息地塑造了它们大脑和行为的进化，因此我们需要回到源头来调查生物体发育的背景。
借助摄像设备，该团队访问了印度各地的七个地点，以收集斑马鱼自然生活的浅水河流的视频数据。现场团队将 360 度摄像头装入防水潜水箱内，并将其连接到遥控机械臂上。然后，他们使用机械臂将相机插入水中并四处移动。
它让我们可以把眼睛放在鱼眼所在的地方，所以它可以看到鱼看到的东西，亚历山大说。从视频数据中，我们能够模拟模拟鱼在现实环境中任意移动的假设场景。
等我
回到实验室，该团队还跟踪了斑马鱼在 LED 球内的运动。因为鱼有很大的视野，它们不需要像人一样移动眼睛环顾四周。因此，研究人员在灯光下播放运动刺激并观察鱼的反应。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从向下看来获得视觉线索的。
如果你播放带有移动条纹的视频，鱼会随着条纹移动，亚历山大说。就像他们在说等我！ 在行为实验中，我们计算了它们的尾巴节拍。它们摇尾巴的次数越多，就越想跟上移动的条纹。
然后，该团队从其视频中提取数据，并将其与运动信号如何编码到鱼脑中的数据相结合。他们将数据集输入到两个预先存在的算法中，用于研究光流（或世界在我们的眼睛或相机镜头上的运动）。
最终，他们发现，在野外和实验室这两种情况下，斑马鱼在向前游泳时都会向下看。研究人员得出的结论是，鱼会向下看以了解其环境的运动，然后游泳以抵消它——以避免被冲走。
我们将所有东西结合在一起进行模拟，表明实际上这是一种自适应行为，领导该研究的计算部分的亚历山大说。水面不断移动，其他鱼类和植物也在移动。鱼最好忽略这些信息，专注于它们下面的信息。河床有很多纹理，所以鱼看到了它们可以追踪的强大特征。
建造更好的机器人
这些信息不仅可以深入了解鱼类的行为，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。
如果你正在制作一个以鱼为灵感的机器人，而你只是看着它的解剖结构，你可能会认为眼睛朝侧面，所以我要把我的相机指向侧面，亚历山大说。但事实证明，眼睛指向侧面是因为它们正在平衡多项任务。我们认为它们指向侧面是因为这是一种妥协——它们向上看是为了打猎，向下看是为了游泳。
这项名为斑马鱼自然栖息地中的光流支持视觉自运动估计中的空间偏差的研究得到了美国国立卫生研究院人类前沿科学计划青年研究员赠款的支持和 Werner Reichardt 综合神经科学中心。
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