你知道烏賊有三顆心臟嗎？它們的視力非常發(fā)達，可以看到身后的東西。除此之外，雄性烏賊為了更好勝過(guò)其它雄性，可以在身體的一側顯示雌性圖案，而另一側則顯示出雄性圖案[1]。烏賊是一種神奇的生物！
烏賊：聰明的動(dòng)物
烏賊很聰明，它們能夠學(xué)習。當它們知道晚上會(huì )有人“供應”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(wú)法接近獵物時(shí)停止追逐獵物[3]。
烏賊可以利用空間學(xué)習來(lái)解決迷宮問(wèn)題以及區分垂直和水平線(xiàn)索等。烏賊的學(xué)習依賴(lài)于短期記憶和長(cháng)期記憶。這兩種記憶的機制不同，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)系統和高度進(jìn)化的視覺(jué)。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思最初為斑馬魚(yú)開(kāi)發(fā)的斑馬魚(yú)行為軌跡跟蹤系統(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)單獨的烏賊活動(dòng)區域（圖 1b）。每個(gè)區域的面積為 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(yú)行為軌跡跟蹤系統(DanioVision)觀(guān)察箱的照片，帶紅外攝像頭（箭頭）。（b）從斑馬魚(yú)行為軌跡跟蹤系統觀(guān)察箱內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(cháng)期記憶，研究者設計了一個(gè)無(wú)法接近的獵物（IP）學(xué)習范式。該范式包括訓練階段和保持階段。在訓練階段，21日齡的烏賊進(jìn)行5次連續的10分鐘試驗，每次試驗之間有20分鐘的休息時(shí)間（如圖2）。
圖2.無(wú)法接近的獵物（IP）學(xué)習范式時(shí)間線(xiàn)示意圖。第一天，烏賊連續五次暴露在無(wú)法接近的獵物中（T1-T5）。每次訓練持續10分鐘，每次訓練之間有20分鐘的休息時(shí)間。如第一次訓練課程T1中的虛線(xiàn)所示，訓練分為兩個(gè)連續的5分鐘間隔(I1 and I2)，以評估短期記憶。訓練四天后，進(jìn)行了一次為期10分鐘的保持測試（R），以評估長(cháng)期記憶
本文的目的是確定三個(gè)捕食反應階段（注意、定位和攻擊）是否會(huì )因為烏賊學(xué)習無(wú)法接近的獵物（IP）實(shí)驗而發(fā)生變化。為此，使用動(dòng)物運動(dòng)軌跡跟蹤系統(EthoVision XT)跟蹤烏賊的方位和整體移動(dòng)。動(dòng)物運動(dòng)軌跡跟蹤系統使用中心點(diǎn)跟蹤來(lái)記錄每個(gè)個(gè)體在活動(dòng)區域內的總移動(dòng)（圖3a）。通過(guò)比較連續幀中中心點(diǎn)的位置來(lái)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(chǎng)內的方向和運動(dòng)（圖3a 和b）。還使用不同的檢測設置來(lái)跟蹤每只獵物（蝦）的運動(dòng)（圖3c）。
圖3.使用動(dòng)物運動(dòng)軌跡跟蹤系統(EthoVision XT)設計的實(shí)驗裝置。其中，（a）代表對實(shí)驗區域中烏賊的檢測。紅色中心點(diǎn)標記（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(guān)測對象數據，如移動(dòng)的距離、速度、旋轉頻率和移動(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(xiàn)顯示。烏賊前部的方向由藍線(xiàn)顯示。（c）代表用于檢測獵物（蝦）的區域設置。橙色陰影表示實(shí)驗區域內獵物（蝦）的區域。（d）代表烏賊實(shí)驗區域設置。每個(gè)實(shí)驗區域分為兩個(gè)區域。頂部區域（粉紅色）包含獵物（蝦）透明管；底部區域（黃色）是空區。
結果
研究結果表明，21日齡的烏賊具有短時(shí)記憶功能。在對烏賊從T1（第一次訓練）到 T5（最后一次訓練）之間攻擊次數進(jìn)行統計，發(fā)現次數減少，說(shuō)明在幾次試驗之間發(fā)生了學(xué)習行為（圖4a）。在T1和T5之間經(jīng)過(guò)了大約 2 小時(shí)，在訓練的T1和T5之間攻擊行為減少可能代表了烏賊長(cháng)期記憶儲存的激活。
圖4.（a）每次訓練在INT 1和INT 2進(jìn)行的攻擊。試驗分為兩個(gè)連續的5分鐘間隔，并計算每個(gè)間隔的擊打次數（INT 1=I1；INT 2=I2）。（b）T1、T5、保持階段（R）和未經(jīng)訓練的烏賊總攻擊次數
令人驚訝的是，我們發(fā)現烏賊對IP訓練的記憶可保持長(cháng)達 4 天（圖4b）。與T1相比，烏賊在保持測試中的攻擊次數有所減少，但與T5相似（圖4b）。這表明，盡管從訓練到保持測試之間相隔了4天，烏賊并沒(méi)有恢復到原來(lái)的反應速度。與此同時(shí)，未經(jīng)訓練的烏賊的反應與T1相似，但與T5不同（圖4b）。
圖5.（a）烏賊面向獵物區和空區的總時(shí)間（SZ=獵物區；EZ=空區）。星號代表各階段數據匯總后，SZ和 EZ的持續時(shí)間存在顯著(zhù)差異。（b）烏賊和獵物（蝦）每次測試的總移動(dòng)量
烏賊花在獵物區的時(shí)間比空區多（圖5a）。面向獵物區的持續時(shí)間在不同時(shí)段之間沒(méi)有差異，面向空區的持續期也沒(méi)有差異（圖5a）。通過(guò)跟蹤烏賊的總運動(dòng)，我們認為各階段的總運動(dòng)量沒(méi)有差異（圖5b）。獵物（蝦）的總運動(dòng)量在各階段之間也沒(méi)有差異（圖5b），因此我們不認為獵物運動(dòng)會(huì )影響烏賊的運動(dòng)量。
文章利用斑馬魚(yú)行為軌跡跟蹤系統(DanioVision)對捕食行為研究發(fā)現，烏賊對無(wú)法捕獲的獵物的總運動(dòng)量和方向都沒(méi)有因為學(xué)習而改變。這進(jìn)一步表明，IP訓練選擇性地抑制了攻擊，而不是整個(gè)捕食過(guò)程。在試驗中，烏賊花在獵物身上的時(shí)間相同。雖然經(jīng)過(guò)訓練的烏賊攻擊的次數較少，但它們在獵物（蝦）周?chē)匀缓芑钴S。研究分析發(fā)現攻擊次數的減少是一種真正的學(xué)習效果，而不是反復訓練所產(chǎn)生的行為疲勞。如果烏賊因疲勞而停止攻擊，那么預計烏賊對獵物的定向和總的運動(dòng)也會(huì )在各次訓練中減少。相反，文章發(fā)現烏賊抑制了攻擊階段，但類(lèi)似的變化并沒(méi)有反映在注意力和定位階段。
總結
文章的研究表明，Sepia bandensis烏賊具有學(xué)習能力，當它們無(wú)法接觸到獵物時(shí)，它們會(huì )調整自己的捕食行為。文章作者發(fā)現，當獵物出現在透明管時(shí)，烏賊花在獵物區時(shí)間更長(cháng)。它們仍然會(huì )朝向獵物，但逐漸停止用觸手攻擊獵物，因為它們發(fā)現自己無(wú)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(wú)脊椎動(dòng)物是具有長(cháng)期記憶的。
同時(shí)，本文使用的斑馬魚(yú)行為軌跡跟蹤系統(DanioVision)使他們能夠分析僅靠直接觀(guān)察無(wú)法測量的行為。烏賊幼體的大小以及它們在早期發(fā)育階段就表現出許多成年行為的事實(shí)，使它們能夠使用斑馬魚(yú)行為軌跡跟蹤系統進(jìn)行高通量行為研究。這一切都讓自動(dòng)化監測動(dòng)物行為充滿(mǎn)了更多可能。
參考文獻
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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