为什么鱼在游泳时往下看

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

该研究首次将斑马鱼的大脑、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--在向前游动时往下看--是一种适应性行为，它的进化是为了帮助鱼儿自我稳定，如在逆流而上时。

随着水的流动，鱼不断地试图自我稳定，以便留在原地--而不是在流动的溪流中被卷走。关注其他鱼、植物或碎片可能会让鱼产生错误的感觉，认为它在移动。然而，在它们下面的稳定的河床却给鱼提供了关于其游泳方向和速度的更可靠的信息。

"这类似于坐在一节没有移动的火车车厢上。如果你旁边的火车开始驶离车站，它可以欺骗你，让你以为自己也在移动，"领导这项研究的西北大学的艾玛-亚历山大说。"来自另一列火车的视觉线索是如此强烈，以至于它超越了你所有其他感官告诉你的事实，即你正坐着不动。这与我们在鱼身上研究的现象完全相同。在它们上面有许多误导性的运动线索，但最丰富和最可靠的信号是来自河底的"。

这项研究将于11月2日发表在《当代生物学》杂志上。

亚历山大是西北大学麦考密克工程学院的计算机科学助理教授，她在那里负责生物启发视觉实验室。

回到源头 "去

为了进行这项研究，亚历山大和她的合作者专注于斑马鱼，一种被充分研究的模型生物。但是，尽管许多实验室都有装满斑马鱼的水箱，该团队还是想把重点放在印度的鱼的原生环境上。

"最近发现，鱼对它们下面的运动的反应比它们上面的运动更强烈。亚历山大解释说："我们想挖掘这个奥秘并了解其原因。"我们研究的许多斑马鱼都是在实验室的水箱中长大的，但是它们的原生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去调查生物体发展的背景。"

带着摄像设备，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的视频数据。实地考察组将一台360度的摄像机封装在一个防水潜水箱内，并将其连接到一个遥控机械臂上。然后，他们使用机械臂将摄像机插入水中并四处移动。

"亚历山大说："它允许我们把我们的眼睛放在鱼的眼睛所在的地方，所以它看到了鱼看到的东西。"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想场景。"

'等等我!'

回到实验室后，该团队还跟踪了斑马鱼在LED球内的运动情况。因为鱼有一个大的视野，它们不必像人那样移动眼睛来观察周围。因此，研究人员在灯上播放运动刺激，并观察鱼的反应。当鱼缸底部出现图案时，鱼就会随着移动的图案游动--这更证明了鱼是从向下看中的视觉线索。

"如果你播放一个有移动条纹的视频，鱼会随着条纹移动，"亚历山大说。"这就像它们在说'等我!'。在行为实验中，我们计算了它们的尾巴跳动。它们越是摇动尾巴，就越是想跟上移动的条纹。"

然后该团队从其视频中抽象出数据，并将其与运动信号如何被编码到鱼的大脑中的数据结合起来。他们将这些数据集输入两个预先存在的用于研究视力流(或世界在我们眼睛或相机镜头上的运动)的算法。

最终，他们发现在两种情况下--在野外和实验室--斑马鱼在向前游时都会向下看。研究人员的结论是，鱼儿向下看是为了了解它们环境的运动，然后游泳来抵消它--以避免被卷走。

"领导这项研究的计算部分的亚历山大说："我们把所有东西都捆绑在一起，形成一个模拟，表明事实上这是一种适应性行为。"水面在不断移动，其他鱼类和植物也在移动。鱼类最好省略这些信息，专注于它们下面的信息。河床有很多纹理，所以鱼看到的是它们可以追踪的强烈特征"。

建造更好的机器人

这些信息不仅使人们对鱼类的行为有了一些了解，而且还可以为人工视觉系统和复杂的生物启发机器人的设计提供参考。

"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，你可能会想'眼睛是侧向的，所以我要把我的摄像机侧向'，" 亚历山大说。"但事实证明，眼睛朝向侧面是因为它们在平衡几项任务。我们认为它们指向侧面是因为这是一种妥协--它们向上看是为了狩猎，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我运动估计中的空间偏差 "的研究得到了人类前沿科学计划青年研究员资助(HSFP RGY0079)、国立卫生研究院(资助号NIH EY003176)和维尔纳-赖查特综合神经科学中心(资助号EXC307)的支持。