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回声定位:大脑的极限

  1. 亚历山大J沃思 是一个通讯作者
  2. 约瑟夫e corbett.
  1. 美国汉普顿悉尼学院生物系
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提及本文作为:188bet体育电竞Elife 2021; 10:E74096 DOI:10.7554 188bet体育电竞/ Elife.74096.

摘要

大脑和肌肉可以响应有关猎物位置的信息的速度有多限制了类似方式的视觉和呼声划分的捕食者。

主要文本

一条小鱼,飞行在海中:今晚为一位精明的捕食者的晚餐。如果你是读者,是捕食者,你只会有你的手,牙齿和大脑来抓住湿滑的生物,这将以敏捷,回避曲折和转弯来回应你的方法(Moore和Biewener,2015年)。你的眼睛会通过快速、急促的动作跟踪鱼,在鱼移动100-250毫秒后锁定在新的位置:这是你的神经系统处理信息和你的身体肌肉作出反应所需的时间长度(埃尔克伦,2006年)。

现在想象一下在黑暗、黑暗的海洋深处这样做——这是任何视动捕食者(即依靠视觉系统捕捉猎物的动物)的挑战性狩猎场。齿鲸,如海豚和海豚,通过进化回声定位系统解决了这个难题。像蝙蝠一样,它们发出一系列的声波,然后聆听和分析周围物体(包括附近的食物)的回声。当鲸鱼从缓慢的跟踪转变为积极的追踪猎物时,它们会迅速增加点击率以获取更多关于目标位置的信息,从而产生一系列快速的叫声,称为嗡嗡声(Madsen和Surlykke,2013年)。

到目前为止,齿鲸的回声定位被认为是在同步的“点击”基础上工作的,就像人类的声纳系统一样:一旦收到并处理了前一个点击,就会产生新的点击(AU,1993)。然而,给定牙鲸的快速嗡嗡声速率,动物需要处理信息并比Oporinetic捕食者快100次(Kirchner和Thorpe,2006年).是这样,还是鲸鱼依赖不同的策略?现在,在ELIFE中,来自圣·安驻斯大学的Heather Vance和来自英国、丹麦、西班牙和法国的同事报告188bet体育电竞了一种新的方法,它揭示了齿鲸如何跟上这种快速刺激的方式。Vance等人。,2021)。

该团队使用吸盘暂时将小型电子标签临时连接到自由喙鲸鱼和港口海豚上。传感器记录了外向声纳咔嗒声并返回回波,以及动物运动上的微量数据(例如它们的方向,速度和加速度;约翰逊和Tyack,2003年)。Vance等人。然后使用此数据来确定捕食者对其猎物的关闭程度,他们发送和接收的点击速度如何快速,以及它们如何以响应方式移动。

标签的结果显示,在追求的最终时刻,点击只需两到三毫秒 - 表示这些快速嗡嗡声包含每秒500次点击。然而,它占据了100-200毫秒的鲸鱼,以物理地回应回声,这与视轨捕食者的延迟响应时间相当(埃尔克伦,2006年;Kirchner和Thorpe,2006年;Engbert等人。,2011年)。培训覆盖港豚鼠的实验,以应对随机移动的目标球确认了这些发现。总的来说,喙鲸的反应时间略高于较小的豚鼠的反应时间 - 表明较大的身体更慢地响应。尽管如此,这两个物种都分享了惊人的相似响应时间,因为他们在过去的2000万年里独立发展(Berta等人。,2014年)。

总的来说,如果鲸鱼在点击的基础上处理感官数据(如最初设想的那样),它们的反应时间会快得多。因此,这些发现驳斥了最初的“点击点击”说法,即回声定位仪在发出新的点击之前会等待回声的响应。相反,他们认为这些“回声动力学”动物(由Vance et al.命名)和视动捕食者都有一个共同的神经机制,该机制是在早期的共同祖先中进化而来的——但何时、在哪个物种中仍然是个谜。在这两组人中,狩猎反应都受到大脑处理信息的速度和肌肉反应速度的限制(图1)那么,为什么齿鲸发出咔哒声的速度比它们处理和响应咔哒声的速度快100倍呢?

比较回声定位和视觉捕食者的反应时间。

(左)齿形鲸鱼(如海豚和豚)是通过发射声纳乒乓球的回声捕食者,或者点击,当它们更接近他们的目标时,它们释放得更快:然后从返回的回声和移动处理感官信息他们的身体相应地追捕猎物。(右)Optopetic捕食者(如狼)依靠他们的愿景追捕,迅速将他们的眼睛锁定在猎物的位置和轨道所在的地方。Vance等人。发现回声捕食者响应来自回波的感觉输入,并以相同的速度坐标,以与眼球运动跟踪猎物的同样的速度相同的速度。这表明两种类型的捕食者的跟踪能力受到他们的大脑流程信息的速度有多速度以及它们的肌肉合同的速度;它还表明了可能在哺乳动物中击中狩猎的神经肌肉系统的共同进化起源。

图像信用:亚历山大j Werth和约瑟夫e corbett。

答案可能在于,随着空气通过它们的鼻阀(或“Phonic Lips”)的快速振动,咔哒声可以通过它们的快速振动产生 - 类似于从气球逃离的空气中出现的吱吱声声音(Berta等人。,2014年).发出咔哒声的速度取决于声音嘴唇的张力和气压;这一解剖过程很可能不像游泳和追逐猎物所涉及的肌肉收缩那样受到很好的控制。然而,这创造了一个相当于中央凹的传感器,中央凹是一个眼睛区域,由感光神经细胞密集排列,提供最敏锐的视觉。密集的(按时间)快速点击的嗡嗡声可能会产生一个同样敏感的“回声定位中心凹”,使捕食者能够整合由猎物运动引起的多个回声。

齿鲸不是海中唯一的捕食者,而不是所有人都可以进行回声定位。例如,密封件在他们的鼻子上使用晶文并围绕着大眼睛来感知通过移动猎物产生的微小水振动(Dehnhardt等人,1998年)。然而,无论哺乳动物是否使用眼睛,晶须或声波潮,Vance等人的结果。建议他们可能依赖于大致相同的神经过程来捕捉他们的晚餐。

工具书类

    1. Au WWL.
    (1993) 海豚的声纳
    纽约州纽约市:斯普林格。
    https://doi.org/10.1007/978-1-4612-4356-4

文章和作者信息

作者详情

  1. 亚历山大J沃思

    亚历山大J沃思是在汉普敦 - 悉尼学院的生物学系,汉普顿 - 悉尼,美国

    对于通信
    awerth@hsc.edu.
    利益争夺
    没有宣布竞争利益
    兽人图标 “此Orcid ID标识本文的作者:”0000-0002-7777-478x
  2. 约瑟夫e corbett.

    约瑟夫e corbett.是在汉普敦 - 悉尼学院的生物学系,汉普顿 - 悉尼,美国

    利益争夺
    没有宣布竞争利益

出版历史

  1. 版本的版本发布:11月5日,2021年(版本1)

版权

©2021年,Werth和Corbett

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