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Assim como você pode olhar para a calçada enquanto caminha, os peixes olham para baixo quando nadam, confirmou um novo estudo de uma colaboração internacional liderada pela Northwestern University.
O estudo é o primeiro a combinar simulações do cérebro do peixe-zebra, ambiente nativo e comportamento de natação espacialmente variável em um modelo computacional. Ao analisar esse modelo, os pesquisadores concluíram que essa peculiaridade – olhar para baixo enquanto nada para frente – é um comportamento adaptativo que evoluiu para ajudar os peixes a se auto-estabilizarem, como quando nadam contra a corrente.
À medida que a água se move, os peixes estão constantemente tentando se auto-estabilizar para permanecer no lugar – em vez de serem arrastados por uma corrente em movimento. Concentrar-se em outros peixes, plantas ou detritos pode dar ao peixe uma falsa sensação de que está se movendo. O leito estável do rio abaixo deles, no entanto, fornece aos peixes informações mais confiáveis sobre sua direção e velocidade de natação.
“É semelhante a sentar em um vagão de trem que não está em movimento. Se o trem ao lado do seu começar a se afastar da estação, isso pode levá-lo a pensar que você também está se movendo”, disse Emma Alexander, da Northwestern, que liderou o grupo. estudar. “A sugestão visual do outro trem é tão forte que substitui o fato de que todos os seus outros sentidos estão lhe dizendo que você está sentado parado. Esse é exatamente o mesmo fenômeno que estamos estudando em peixes. Há muitas dicas de movimento enganosas acima. eles, mas os sinais mais abundantes e confiáveis são do fundo do rio.”
O estudo será publicado em 2 de novembro na revista Biologia Atual.
Alexander é professora assistente de ciência da computação na McCormick School of Engineering da Northwestern, onde dirige o Bio Inspired Vision Lab.
Indo ‘de volta à fonte’
Para conduzir a pesquisa, Alexander e seus colaboradores se concentraram no peixe-zebra, um organismo modelo bem estudado. Mas, embora muitos laboratórios tenham tanques cheios de peixe-zebra, a equipe queria se concentrar no ambiente nativo do peixe na Índia.
“Foi descoberto recentemente que os peixes respondem ao movimento abaixo deles mais fortemente do que ao movimento acima deles. Queríamos investigar esse mistério e entender o porquê”, explicou Alexander. “Muitos peixes-zebra que estudamos crescem em tanques de laboratório, mas seus habitats nativos moldaram a evolução de seus cérebros e comportamentos, então precisávamos voltar à fonte para investigar o contexto de onde o organismo se desenvolveu”.
Armado com equipamento de câmera, a equipe visitou sete locais em toda a Índia para coletar dados de vídeo de rios rasos, onde o peixe-zebra vive naturalmente. A equipe de campo colocou uma câmera de 360 graus dentro de um estojo de mergulho à prova d’água e a conectou a um braço robótico controlado remotamente. Em seguida, eles usaram o braço robótico para mergulhar a câmera na água e movê-la.
“Isso nos permitiu colocar nossos olhos onde os olhos dos peixes estariam, então é ver o que os peixes veem”, disse Alexander. “A partir dos dados de vídeo, fomos capazes de modelar cenários hipotéticos em que um peixe simulado se movia arbitrariamente em um ambiente realista.”
‘Espere por mim!’
De volta ao laboratório, a equipe também rastreou os movimentos do peixe-zebra dentro de uma bola de LEDs. Como os peixes têm um grande campo de visão, eles não precisam mover os olhos para olhar ao redor como as pessoas fazem. Assim, os pesquisadores jogaram estímulos de movimento nas luzes e observaram as respostas dos peixes. Quando os padrões apareceram no fundo do tanque, os peixes nadaram junto com os padrões de movimento – mais evidência de que os peixes estavam pegando suas dicas visuais olhando para baixo.
“Se você reproduzir um vídeo com listras em movimento, o peixe se moverá junto com as listras”, disse Alexander. “É como se eles estivessem dizendo ‘espere por mim!’ No experimento comportamental, contamos as batidas do rabo. Quanto mais eles abanavam o rabo, mais queriam acompanhar as listras em movimento.”
A equipe então abstraiu dados de seus vídeos e os combinou com dados de como os sinais de movimento são codificados no cérebro do peixe. Eles alimentaram os conjuntos de dados em dois algoritmos pré-existentes usados para estudar o fluxo óptico (ou o movimento do mundo através de nossos olhos ou lentes de câmeras).
Em última análise, eles descobriram que em ambos os cenários – na natureza e no laboratório – o peixe-zebra olha para baixo quando nada para a frente. Os pesquisadores concluíram que os peixes olham para baixo para entender o movimento de seu ambiente e depois nadam para neutralizá-lo – para evitar serem arrastados.
“Nós juntamos tudo em uma simulação que mostrou que, de fato, esse é um comportamento adaptativo”, disse Alexander, que liderou a parte computacional do estudo. “A superfície da água está em constante movimento, e outros peixes e plantas estão se movendo. É melhor para os peixes omitir essa informação e se concentrar nas informações abaixo deles. Os leitos dos rios têm muita textura, então os peixes estão vendo características fortes que podem rastrear.”
Construindo robôs melhores
Essa informação não apenas fornece algumas informações sobre o comportamento dos peixes, mas também pode informar projetos para sistemas de visão artificial e robôs sofisticados de inspiração biológica.
“Se você estivesse fazendo um robô inspirado em peixes e apenas olhasse para sua anatomia, você poderia pensar ‘os olhos estão apontando para os lados, então eu vou apontar minhas câmeras para os lados’”, disse Alexander. “Mas acontece que os olhos estão apontando para os lados porque estão equilibrando várias tarefas. Achamos que eles apontam para os lados porque é um compromisso – eles olham para cima para caçar e para baixo para nadar.”
O estudo, “O fluxo óptico nos habitats naturais do peixe-zebra suporta vieses espaciais na estimativa de auto-movimento visual”, foi apoiado pela concessão de jovens investigadores do Human Frontier Science Program (HSFP RGY0079), os Institutos Nacionais de Saúde (número de concessão NIH EY003176) e o Werner Reichardt Center for Integrative Neuroscience (concessão número EXC307).
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