3D Analyse der Schnellstart-Fluchtreaktion der kleinsten Killifische

Mikrotron EoSens Kameras helfen, den Wert der 3D-Bildanalyse in der Fisch-Biometrie aufzuzeigen.

In der Wissenschaft der Biomechanik des Schwimmens von Fischen verlagert sich die Hochgeschwindigkeits-Video-Bildgebung von der 2D- zur 3D-Aufzeichnung mit mehreren synchronisierten Kameras, ein Trend, der durch Software-Fortschritte in der automatisierten Analyse vorangetrieben wird.


Dieser Trend wird durch Software-Fortschritte in der automatisierten Analyse vorangetrieben. Dieser Trend hin zu 3D wurde kürzlich in einer Studie ("Dreidimensionale Analyse der schnellen Fluchtreaktion des kleinsten Killifisches, Heterandria formosa") demonstriert, die im Journal of Experimental Biology veröffentlicht wurde und in der drei Mikroton EoSens CL MC1362 Kameras Hochgeschwindigkeitsbewegungen von erwachsenen Fischen aufnahmen. Die Forschungsergebnisse hoben insbesondere die Bedeutung der 3D-Bildgebung bei der Analyse von Schnellstartmanövern erwachsener Fische hervor, um die Vielseitigkeit ihres Fluchtrepertoires aufzudecken. Es wurden Experimente mit erwachsenen weiblichen Heterandria Formosa (am wenigsten Killifische) durchgeführt, einer Art der Familie der lebendgebärenden Fische Poeciliidae, die natürlicherweise eine Vielfalt von Lebensräumen im Südosten der USA besiedelt, darunter kleine Süßwasserseen, Bäche und Sümpfe.


Bis jetzt wurden die schnellen Fluchtreaktionen erwachsener Fische nur in einer horizontalen 2D-Ebene untersucht. In natürlichen Situationen können sich Raubfische jedoch einer Beute aus jeder Orientierung im 3D-Raum nähern. Beispielsweise schlagen Vögel von oben zu, während andere Seelöwen meist von unten angreifen oder in einer meist horizontalen Ebene zuschlagen. Um Raubtierangriffen auszuweichen, machen Fische C-Starts, die aus drei Stufen bestehen, in denen sich der Fisch schnell in eine C-Form biegt, sich in die entgegengesetzte Richtung beugt und sich sofort wieder aufrichtet. Unabhängig von der anfänglichen Ausrichtung können Fische in jede Richtung ausweichen, um zu verhindern, dass sie von oben, unten oder geradeaus gefangen werden. Mit Hilfe der automatisierten 3D-Verfolgung von Hochgeschwindigkeits-Videosequenzen, die mit den Mikrotron-Kameras möglich wurde, zeigten die Forscher, dass Schnellstarts oft eine bedeutende vertikale Geschwindigkeitskomponente enthalten, wobei große Änderungen der Nick- und Rollwinkel nur in 3D-Bildern zu sehen sind.


Die Fluchtreaktionen wurden in einem 9 × 9 × 12 Zoll (L x B x H) großen Aquarium mit einem Wasserstand von 9 Zoll aufgezeichnet, so dass die Fische ausreichend Bewegungsfreiheit hatten. Der zentrale Bereich des Aquariums wurde mit den drei Mikroton EoSens CL MC1362 High-Speed-Videokameras mit einer Auflösung von 1040 × 1020 Pixeln, 470 Bildern pro Sekunde und einer Verschlusszeit von 1/1000 Sekunden gefilmt. Jede Kamera war mit asphärischen Voigtländer Ultron F=40 mm 1:2 Kompakt-Pancake-Objektiven, einem Epix PIXCI E8 Framegrabber ausgestattet und wurde mit direkter linearer Transformation (DLT) kalibriert, indem die Position von 72 Punkten auf einem kundenspezifisch entworfenen 3D-Druckrahmen angegeben wurde. Ein digitaler Verzögerungsimpulsgenerator des Quantum Composers 9214 synchronisierte die Kameras.


Um eine Fluchtreaktion hervorzurufen, wurde ein 3,6-Unzen-Gewicht mit Hilfe eines manuellen elektrischen Schalters von der Oberseite des Aquariums fallen gelassen, wenn sich ein Fisch im Sichtfeld befand, vorzugsweise in einer ruhigen, gleichmäßigen und geraden Position. Das Aquarium wurde mit Hilfe einer LED-Platte gleichmäßig von oben beleuchtet. Ähnliche Paneele an der Seite schalteten sich ein, als der Stimulus fallen gelassen wurde, mit einer Verzögerung von einigen Millisekunden. Zwischen den Stimuli wurde den Fischen eine Ruhezeit von mindestens 5 Minuten gewährt. Pro Fisch wurden maximal fünf Fluchtreaktionen pro Tag aufgezeichnet, insgesamt wurden 437 Fluchtreaktionsfolgen aufgezeichnet.


Bewegung und Verformung des Fisches während seiner "Flucht" wurden mit Hilfe der MATLAB-Software aus dem Mikrotron-Video in 3D rekonstruiert. Eine in silico-Darstellung der Fische und der Versuchsaufbau identifizierten die bestmögliche Anpassung eines Fischmodells an die aufgezeichneten Videobilder. Dieses Modell bestand aus einer tesselierten 3D-Oberfläche des Fisches mit einer bestimmten Position, Ausrichtung und Körperkrümmung. Der Versuchsaufbau wurde dann virtuell nachgebildet, indem die Kameras mit DLT kalibriert wurden. Ein Bild des Modellfisches wurde auf die virtuellen Kameras projiziert, um zu zeigen, wie die Hochgeschwindigkeits-Videobilder für einen gegebenen Parametersatz, wie Position, Orientierung und Krümmung, aussehen würden. Die Überlappung zwischen dem projizierten Bild und dem tatsächlichen Hochgeschwindigkeits-Videobild gibt einen Hinweis auf die Anpassungsgüte dieses Parametersatzes.


Die Biomechanik von Fischen besteht aus komplexen 3D-Manövern sowohl bei Larven als auch bei ausgewachsenen Fischen, was darauf hindeutet, dass die Art dieses Bewegungsmusters in früheren 2D-Studien möglicherweise zu stark vereinfacht wurde. Mit Hilfe der Mikroton EoSens CL MC1362 Kameras stellten die Forscher fest, dass die 3D-Bildgebung zum Verständnis aller Aspekte der Biomechanik des Fischschwimmens beitragen könnte.