你知道烏賊有三顆心臟嗎？它們的視力非常發(fā)達(dá)，可以看到身后的東西。除此之外，雄性烏賊為了更好勝過其它雄性，可以在身體的一側(cè)顯示雌性圖案，而另一側(cè)則顯示出雄性圖案[1]。烏賊是一種神奇的生物！
烏賊：聰明的動(dòng)物
烏賊很聰明，它們能夠?qū)W習(xí)。當(dāng)它們知道晚上會(huì)有人“供應(yīng)”它們最喜歡的食物時(shí)，它們就會(huì)在白天少吃一些不那么美味的食物[2]。它們還能學(xué)會(huì)在看到獵物但無法接近獵物時(shí)停止追逐獵物[3]。
烏賊可以利用空間學(xué)習(xí)來解決迷宮問題以及區(qū)分垂直和水平線索等。烏賊的學(xué)習(xí)依賴于短期記憶和長期記憶。這兩種記憶的機(jī)制不同，保留的時(shí)間也不同。
烏賊在多個(gè)方面與脊椎動(dòng)物相似，而且體型小巧。這使它們適合作為行為研究的模型。與脊椎動(dòng)物一樣，它們也有中樞神經(jīng)系統(tǒng)和高度進(jìn)化的視覺。因此，對它們記憶力的研究有助于推動(dòng)對脊椎動(dòng)物的研究。
捕食者-獵物研究自動(dòng)化
杰西卡-鮑爾斯（Jessica Bowers）[3]和她的同事們使用了諾達(dá)思最初為斑馬魚開發(fā)的斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)(DanioVision)，將其使用在對Sepia bandensis幼年烏賊的研究中。他們使用的定制孔板有六個(gè)相對較大的孔，每個(gè)孔代表一個(gè)單獨(dú)的烏賊活動(dòng)區(qū)域（圖 1b）。每個(gè)區(qū)域的面積為 9.5 平方厘米。每個(gè)孔中都有一個(gè)微小的透明管，他們可以把烏賊最喜歡的獵物（蝦）放在里面。利用這種裝置，他們同時(shí)自動(dòng)測量六條Sepia bandensis幼年烏賊對獵物的行為。
圖1.（a）斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)(DanioVision)觀察箱的照片，帶紅外攝像頭（箭頭）。（b）從斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)觀察箱內(nèi)拍攝的定制孔板照片。每個(gè)孔的頂部都安裝了用于容納獵物（蝦）的透明管
為了評估烏賊的短期和長期記憶，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)無法接近的獵物（IP）學(xué)習(xí)范式。該范式包括訓(xùn)練階段和保持階段。在訓(xùn)練階段，21日齡的烏賊進(jìn)行5次連續(xù)的10分鐘試驗(yàn)，每次試驗(yàn)之間有20分鐘的休息時(shí)間（如圖2）。
圖2.無法接近的獵物（IP）學(xué)習(xí)范式時(shí)間線示意圖。第一天，烏賊連續(xù)五次暴露在無法接近的獵物中（T1-T5）。每次訓(xùn)練持續(xù)10分鐘，每次訓(xùn)練之間有20分鐘的休息時(shí)間。如第一次訓(xùn)練課程T1中的虛線所示，訓(xùn)練分為兩個(gè)連續(xù)的5分鐘間隔(I1 and I2)，以評估短期記憶。訓(xùn)練四天后，進(jìn)行了一次為期10分鐘的保持測試（R），以評估長期記憶
本文的目的是確定三個(gè)捕食反應(yīng)階段（注意、定位和攻擊）是否會(huì)因?yàn)闉踬\學(xué)習(xí)無法接近的獵物（IP）實(shí)驗(yàn)而發(fā)生變化。為此，使用動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(EthoVision XT)跟蹤烏賊的方位和整體移動(dòng)。動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)使用中心點(diǎn)跟蹤來記錄每個(gè)個(gè)體在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的總移動(dòng)（圖3a）。通過比較連續(xù)幀中中心點(diǎn)的位置來生成烏賊的移動(dòng)路徑（圖3b）。他們還使用了“頭尾”跟蹤，將跟蹤點(diǎn)放在動(dòng)物的頭部和尾部，這樣就可以分析整個(gè)身體在場內(nèi)的方向和運(yùn)動(dòng)（圖3a 和b）。還使用不同的檢測設(shè)置來跟蹤每只獵物（蝦）的運(yùn)動(dòng)（圖3c）。
圖3.使用動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(EthoVision XT)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置。其中，（a）代表對實(shí)驗(yàn)區(qū)域中烏賊的檢測。紅色中心點(diǎn)標(biāo)記（白色箭頭），同時(shí)還有頭部（黑色箭頭）。中心點(diǎn)的移動(dòng)用于生成觀測對象數(shù)據(jù)，如移動(dòng)的距離、速度、旋轉(zhuǎn)頻率和移動(dòng)路徑。（b）代表烏賊身上獲得追蹤信息。移動(dòng)的距離由紅線顯示。烏賊前部的方向由藍(lán)線顯示。（c）代表用于檢測獵物（蝦）的區(qū)域設(shè)置。橙色陰影表示實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)獵物（蝦）的區(qū)域。（d）代表烏賊實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置。每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域。頂部區(qū)域（粉紅色）包含獵物（蝦）透明管；底部區(qū)域（黃色）是空區(qū)。
結(jié)果
研究結(jié)果表明，21日齡的烏賊具有短時(shí)記憶功能。在對烏賊從T1（第一次訓(xùn)練）到 T5（最后一次訓(xùn)練）之間攻擊次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)次數(shù)減少，說明在幾次試驗(yàn)之間發(fā)生了學(xué)習(xí)行為（圖4a）。在T1和T5之間經(jīng)過了大約 2 小時(shí)，在訓(xùn)練的T1和T5之間攻擊行為減少可能代表了烏賊長期記憶儲(chǔ)存的激活。
圖4.（a）每次訓(xùn)練在INT 1和INT 2進(jìn)行的攻擊。試驗(yàn)分為兩個(gè)連續(xù)的5分鐘間隔，并計(jì)算每個(gè)間隔的擊打次數(shù)（INT 1=I1；INT 2=I2）。（b）T1、T5、保持階段（R）和未經(jīng)訓(xùn)練的烏賊總攻擊次數(shù)
令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)烏賊對IP訓(xùn)練的記憶可保持長達(dá) 4 天（圖4b）。與T1相比，烏賊在保持測試中的攻擊次數(shù)有所減少，但與T5相似（圖4b）。這表明，盡管從訓(xùn)練到保持測試之間相隔了4天，烏賊并沒有恢復(fù)到原來的反應(yīng)速度。與此同時(shí)，未經(jīng)訓(xùn)練的烏賊的反應(yīng)與T1相似，但與T5不同（圖4b）。
圖5.（a）烏賊面向獵物區(qū)和空區(qū)的總時(shí)間（SZ=獵物區(qū)；EZ=空區(qū)）。星號代表各階段數(shù)據(jù)匯總后，SZ和 EZ的持續(xù)時(shí)間存在顯著差異。（b）烏賊和獵物（蝦）每次測試的總移動(dòng)量
烏賊花在獵物區(qū)的時(shí)間比空區(qū)多（圖5a）。面向獵物區(qū)的持續(xù)時(shí)間在不同時(shí)段之間沒有差異，面向空區(qū)的持續(xù)期也沒有差異（圖5a）。通過跟蹤烏賊的總運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為各階段的總運(yùn)動(dòng)量沒有差異（圖5b）。獵物（蝦）的總運(yùn)動(dòng)量在各階段之間也沒有差異（圖5b），因此我們不認(rèn)為獵物運(yùn)動(dòng)會(huì)影響烏賊的運(yùn)動(dòng)量。
文章利用斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)(DanioVision)對捕食行為研究發(fā)現(xiàn)，烏賊對無法捕獲的獵物的總運(yùn)動(dòng)量和方向都沒有因?yàn)閷W(xué)習(xí)而改變。這進(jìn)一步表明，IP訓(xùn)練選擇性地抑制了攻擊，而不是整個(gè)捕食過程。在試驗(yàn)中，烏賊花在獵物身上的時(shí)間相同。雖然經(jīng)過訓(xùn)練的烏賊攻擊的次數(shù)較少，但它們在獵物（蝦）周圍仍然很活躍。研究分析發(fā)現(xiàn)攻擊次數(shù)的減少是一種真正的學(xué)習(xí)效果，而不是反復(fù)訓(xùn)練所產(chǎn)生的行為疲勞。如果烏賊因疲勞而停止攻擊，那么預(yù)計(jì)烏賊對獵物的定向和總的運(yùn)動(dòng)也會(huì)在各次訓(xùn)練中減少。相反，文章發(fā)現(xiàn)烏賊抑制了攻擊階段，但類似的變化并沒有反映在注意力和定位階段。
總結(jié)
文章的研究表明，Sepia bandensis烏賊具有學(xué)習(xí)能力，當(dāng)它們無法接觸到獵物時(shí)，它們會(huì)調(diào)整自己的捕食行為。文章作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)獵物出現(xiàn)在透明管時(shí)，烏賊花在獵物區(qū)時(shí)間更長。它們?nèi)匀?/span>會(huì)朝向獵物，但逐漸停止用觸手攻擊獵物，因?yàn)樗鼈儼l(fā)現(xiàn)自己無法捕捉到獵物。四天后，這些攻擊仍然很少。作者證明了這些小型的無脊椎動(dòng)物是具有長期記憶的。
同時(shí)，本文使用的斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)(DanioVision)使他們能夠分析僅靠直接觀察無法測量的行為。烏賊幼體的大小以及它們在早期發(fā)育階段就表現(xiàn)出許多成年行為的事實(shí)，使它們能夠使用斑馬魚行為軌跡跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行高通量行為研究。這一切都讓自動(dòng)化監(jiān)測動(dòng)物行為充滿了更多可能。
參考文獻(xiàn)
1.earth-matters/animals/blogs/5-amazing-facts-about-strange-beautiful-cuttlefish
2. Billard, Pauline, et al. "Cuttlefish show flexible and future-dependent foraging cognition." Biology Letters 16.2 (2020): 20190743.
3. Bowers, Jessica, et al. "Evidence of learning and memory in the juvenile dwarf cuttlefish Sepia bandensis." Learning & Behavior (2020).
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