Die Koordination von Kopf, Körper und Augen ist im gesamten Tierreich konserviert, finden Forscher heraus

Die Koordination von Kopf, Körper und Augen ist im gesamten Tierreich konserviert, finden Forscher heraus

Die Forscher hängten eine Fruchtfliege an einer Nadel und einem Magneten auf und projizierten Aufnahmen dessen, was das Insekt während des Fluges sehen würde, auf LED-Bildschirme, wodurch es sich bewegte, als ob es frei fliegen würde. Dabei konnten sie die Kopf- und Körperbewegungen der Fliege als Reaktion auf schnelle und langsame Reize verfolgen. Bildnachweis: Kelby Hochreither/Penn State

Laut Forschern der Penn State, die Virtual-Reality-Flugsimulatoren verwendeten, synchronisieren Fruchtfliegen die Bewegungen ihres Kopfes und Körpers, um ihre Sicht zu stabilisieren und effektiv zu fliegen. Der Befund scheint bei Primaten und anderen Tieren zuzutreffen, sagen die Forscher, was darauf hinweist, dass Tiere sich entwickelt haben, um ihre Augen und Körper unabhängig voneinander zu bewegen, um Energie zu sparen und die Leistung zu verbessern. Dieses Verständnis könnte laut Forschungsleiter Jean-Michel Mongeau, Assistenzprofessor für Maschinenbau, in das Design fortschrittlicher mobiler Roboter einfließen.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Wir haben festgestellt, dass bei der Kontrolle des Blicks Fruchtfliegen minimieren Energieverbrauch und Flugleistung erhöhen,“ sagte Mongeau. „Und, unter Verwendung dieser Koordinationsinformationen, entwickelten wir a mathematisches Modell das eine ähnliche Synchronisation in genau vorhersagt [other] visuell aktive Tiere.”

Forscher verwendeten Hoch-Blitzer um eine Fruchtfliege aufzunehmen, die von LED-Videobildschirmen umgeben ist, auf die die Forscher Aufnahmen davon projizierten, was eine Fliege während des Fluges sehen würde, wodurch ein immersives Virtual-Reality-Erlebnis geschaffen und die Fliege veranlasst wurde, sich zu bewegen, als ob sie frei fliegen würde.

“Wenn sich eine Fliege bewegt, koordiniert sie ihre KopfFlügel und Körper, um durch die Luft zu fliegen, Raubtieren auszuweichen oder nach Nahrung zu suchen“, sagte Mongeau. „Wir wollten untersuchen, wie Fliegen diese Bewegungen koordinieren, und wir taten dies, indem wir den Flug in der virtuellen Realität simulierten.“

Als Reaktion auf langsame und schnelle visuelle Bewegungen im Virtual-Reality-Flugsimulator bewegte die Fliege ihren Kopf und Körper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Forscher nahmen Messungen vor und verfolgten die Kopfbewegungen der Fliege, um die Richtung ihres Blicks zu bestimmen, da ihre Augen an ihrem Kopf fixiert sind und sich nicht unabhängig bewegen können.






Dieser Clip beschreibt, wie Forscher Fruchtfliegen und andere visuell aktive Tiere im Tierreich entdeckten, die Bewegungen ihres Kopfes und Körpers synchronisieren, um ihr Sehvermögen zu stabilisieren. Bildnachweis: Penn State College of Engineering

“Wir haben festgestellt, dass der Kopf der Fliege und Körperbewegungen ergänzten sich dadurch, dass sich der Körper bei langsameren visuellen Bewegungen am meisten bewegte, während sich der Kopf bei schnelleren Bewegungen am meisten bewegte“, sagte Mongeau. „Die Zusammenarbeit von Körper und Kopf half dabei, die Flugbewegung von sehr langsam zu sehr schnell zu stabilisieren.“

Um die Konzepte weiter zu testen, immobilisierten die Forscher den Kopf der Fliege und setzten ihn den gleichen visuellen Reizen aus. Sie fanden heraus, dass die Fliege nicht auf schnelle visuelle Bewegungen reagieren konnte – was den Vorteil komplementärer Körper- und Kopfbewegungen demonstrierte.

“Wir haben festgestellt, dass die Zusammenarbeit von Kopf und Körper aus energetischer Sicht vorteilhaft ist”, sagte Mongeau. „Da der Kopf kleiner ist, hat er weniger Bewegungswiderstand oder Trägheit, was bedeutet, dass er auf schnelle Bewegungen reagieren kann, während der viel größere Körper am besten auf langsamere Bewegungen reagiert. Die Abstimmung dieser beiden Komponenten spart Energie und erhöht die Leistung nicht nur für den fliegen, sondern auch für andere Tiere.”

Verwenden Steuerungstheorieeinem Zweig der Ingenieurwissenschaften, der sich mit der Entwicklung von Rückkopplungssystemen wie Autopiloten befasst, verglichen die Forscher die Erkenntnisse über die Bewegungen der Fliege mit denen anderer Tiere, einschließlich einer klassischen Studie über Primatenbewegungen.

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    Benjamin Cellini (links), ein Doktorand für Maschinenbau an der Penn State, fungierte als Erstautor der Studie, während Jean-Michel Mongeau, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Penn State, als Hauptforscher fungierte. Bildnachweis: Kelby Hochreither/Penn State

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    Ein genauerer Blick auf die LED-Bildschirme, mit denen Forscher ein immersives Virtual-Reality-Erlebnis für die Fruchtfliege geschaffen haben. Bildnachweis: Kelby Hochreither/Penn State

„Mit demselben Modell haben wir uns die Trägheitsverhältnisse von Augen, Kopf und Körper an anderer Stelle in der Studie angesehen Tierreicheinschließlich bei anderen Insekten, Ratten und Vögeln“, sagte Mongeau. „Die Art und Weise, wie die Fliegen ihren Kopf und Körper bewegen, ist der Art und Weise sehr ähnlich, wie Primaten ihre Köpfe und Augen bewegen, was bemerkenswert ist, da sie sich vor Hunderten von Millionen von Jahren voneinander unterschieden. ”

So wie ein Kopf leichter ist als ein Körper, sind Augen leichter als ein Kopf und brauchen weniger Energie, um sich zu bewegen. Laut Mongeau markierten sich unabhängig voneinander bewegende Augen und Köpfe im Fossilienbestand von Wirbeltieren den Übergang vom Wasser zum Land.

„Als Wirbeltiere vor mehr als 350 Millionen Jahren vom Wasser auf das Land übergingen, hätte die Entwicklung von Mechanismen zur Steuerung von Kopf- und Augenbewegungen erhebliche evolutionäre Vorteile haben können“, sagte Mongeau. „Wir haben festgestellt, dass es eine gibt süße Stelle in Augen-Kopf-Körper-Verhältnissen, was darauf hindeutet, dass Trägheit eine wichtige Einschränkung bei der Entwicklung des Sehvermögens gewesen sein könnte.

Die Erkenntnisse der Forscher könnten zur Verbesserung genutzt werden Energieeffizienz und Leistung in der Robotik, so Benjamin Cellini, Doktorand im Maschinenbau und Erstautor des Artikels.

“In der Robotik sind Sensoren normalerweise ortsfest”, sagte Cellini. „Aber im Tierreich sind Wahrnehmung und Bewegung gekoppelt, da sich viele physische Sensoren wie Augen bewegen. Inspiriert von der Biologie können wir energieeffizientere Roboter entwickeln, indem wir auf Vision basierende Sensoren mobil machen.“


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Mehr Informationen:
Benjamin Cellini et al, Komplementäre Rückkopplungskontrolle ermöglicht eine effektive Blickstabilisierung bei Tieren, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2121660119

P. Morasso et al, Anpassung der Sakkadencharakteristik bei Kopfbewegungen, Experimentelle Hirnforschung (2004). DOI: 10.1007/BF00234475

Zur Verfügung gestellt von
Pennsylvania Staatsuniversität


Zitieren: Kopf-, Körper-, Augenkoordination konserviert im gesamten Tierreich, Forscher finden (2022, 10. Mai), abgerufen am 10. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-body-eye-animal-kingdom.html

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