Forscher des Exzellenzclusters Centre for the Advanced Study of Collective Behavior (CASCB) und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie haben eine ehemalige Scheune in ein hochmodernes Technologielabor für komplexe Verhaltensanalysen umgewandelt. Darin können sie nun das komplexe Verhalten von Tiergruppen untersuchen. Die Scheune diente auch als Prototyp für das größte Schwarmverhaltenslabor der Universität Konstanz: den Imaging Hangar. Details wurden veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Eine große Einschränkung in der Verhaltensforschung besteht darin, dass Wissenschaftler Tiere entweder unter stark kontrollierten, aber oft unrealistisch vereinfachten und kleinen Umgebungen im Labor oder unter weitgehend unkontrollierten Bedingungen in der Wildnis untersuchen können. Dies hat unsere Fähigkeit eingeschränkt, viele Facetten des Verhaltens zu untersuchen, einschließlich des kollektiven Verhaltens – der Bewegungen und Interaktionen zwischen Tieren, die ihrem komplexen sozialen Leben zugrunde liegen. Was ist erforderlich, um dieses Problem anzugehen? Erstens ein Ort mit viel Platz. Zweitens: modernste Technologie.
Beide stehen in einer Scheune aus dem 18. Jahrhundert am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie in Möggingen bei Konstanz und jetzt im Imaging Hangar, einer turnhallengroßen Halle der Universität Konstanz. In beiden Laboren wird das Gruppenverhalten von Tieren genau untersucht. Um dies auf multidimensionale Weise zu erreichen, haben Forscher des Exzellenzclusters Centre for the Advanced Study of Collective Behavior der Universität Konstanz und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie ein Tool namens SMART-BARN entwickelt.
SMART-BARN ist ein Akronym für Scalable Multimodal Arena for Real-time Tracking Behavior of Animals in großen Zahlen. „Es handelt sich um ein neues Tool, mit dem komplexe Verhaltensmerkmale eines Individuums oder Interaktionen zwischen Tiergruppen wie Insekten, Vögeln oder Säugetieren untersucht werden können“, sagt Hemal Naik. Zusammen mit Máté Nagy, Co-Sprecher des Clusters, Iain Couzin, und Kollegen entwickelten sie SMART-BARN. Das Team war interdisziplinär: Biologen, Physiker, Ingenieure und Informatiker haben es gemeinsam entwickelt.
Máté Nagy erklärt: „Wir verwenden Hochdurchsatz-Messtechniken wie optisches und akustisches Tracking, mit denen wir die genaue 3D-Position und Haltung von Tieren untersuchen und ihr Sichtfeld berechnen können.“ Benutzer der neuen Anlage werden die Flexibilität haben, verschiedene experimentelle Paradigmen durchzuführen, indem sie den modularen Charakter des Systems nutzen.
Warum Skalierung wichtig ist
„SMART-BARN soll den Umfang typischer Verhaltensexperimente in Innenräumen hinsichtlich des Versuchsvolumens und der gemessenen Verhaltensmerkmale und Gruppengrößen erweitern“, sagt Informatiker Hemal Naik und fügt hinzu: „Das bedeutet, dass Benutzer ein bisher nicht dagewesenes Verhaltensrepertoire von Tieren messen können.“ mehr Platz haben.“
Die Einrichtung kann – abhängig von der Größe der Tiere – Hunderte von Tieren gleichzeitig beherbergen und die Möglichkeit von Experimenten auf neuartige Arten erweitern, die normalerweise nicht in Innenräumen untersucht werden. „Tatsächlich haben wir dies jetzt so skaliert, dass es mit vielen Tausend Tieren funktioniert“, fügt Couzin hinzu. „Wir haben kürzlich im Imaging Hangar eine Studie durchgeführt, bei der wir 10.000 Plageheuschrecken verfolgt haben. Ohne unsere SMART-BARN-Technologie wäre dies unmöglich gewesen.“ “
Wie SMART-BARN genutzt werden kann
Bisher wurde SMART-BARN in verschiedenen experimentellen Anwendungsfällen mit so unterschiedlichen Probanden wie Tauben, Staren, Motten, Fledermäusen und Menschen eingesetzt. Naik freut sich, denn „die Einrichtung prägt wichtige neue interdisziplinäre Kooperationen.“ Er fährt fort: „SMART-BARN bietet beispielsweise die Möglichkeit, den 3D-Blick und die Haltung von Vögeln in einer Gruppe von zehn oder mehr Personen zu verfolgen und dabei ihre Identität zu bewahren. Diese Technik wird von Forschern verwendet, um die Rolle des Blicks bei der Entscheidungsfindung zu untersuchen.“ “
Dieselbe Technik wird von Informatikern verwendet, um neuartige auf Computer Vision und KI basierende Algorithmen zu entwickeln, die die 3D-Verfolgung von Tieren ermöglichen, ohne dass sie mit Markierungen versehen werden müssen. „Unsere Methode hat zu einem noch größeren System geführt Imaging Hangar an der Universität Konstanz, um Schwärme von Robotern oder Tausende von Insekten zu verfolgen“, sagt Iain Couzin.
Máté Nagy sagt: „Kurz gesagt, der Anwendungsbereich wird nur durch unsere Fähigkeit begrenzt, Ideen für Experimente zu entwickeln.“ Das Team stellt sich die Einrichtung als einen kollaborativen Raum vor, in dem Forscher aus der ganzen Welt zur Erforschung von Verhaltensfragen beitragen können. Deshalb lädt das Team Forscher auf der ganzen Welt ein, mit ihnen in Kontakt zu treten und Experimente zu planen.
Mehr Informationen:
Máté Nagy et al, SMART-BARN: Skalierbare multimodale Arena für Echtzeit-Tracking-Verhalten von Tieren in großer Zahl, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf8068. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8068