Perché i pesci guardano in basso quando nuotano

Mentre l’acqua si muove, i pesci cercano costantemente di stabilizzarsi per rimanere al loro posto, piuttosto che essere spazzati via da un ruscello in movimento. Concentrarsi su altri pesci, piante o detriti potrebbe dare al pesce una falsa sensazione che si stia muovendo. Il letto del fiume stabile sotto di loro, tuttavia, fornisce ai pesci informazioni più affidabili sulla loro direzione e velocità di nuoto.

“È come sedersi su un vagone che non si muove. Se il treno accanto al tuo inizia ad allontanarsi dalla stazione, può indurre anche te a pensare che ti stai muovendo”, ha detto Emma Alexander della Northwestern, che ha guidato lo studio. “Il segnale visivo dell’altro treno è così forte che prevale sul fatto che tutti gli altri tuoi sensi ti dicono che sei seduto fermo. Questo è esattamente lo stesso fenomeno che stiamo studiando nei pesci. Ci sono molti segnali di movimento fuorvianti sopra loro, ma i segnali più abbondanti e affidabili vengono dal fondo del fiume”.

Lo studio sarà pubblicato il 2 novembre sulla rivista Current Biology.

Alexander è un assistente professore di informatica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, dove gestisce il Bio Inspired Vision Lab.

Tornando ‘alla fonte’

Per condurre la ricerca, Alexander e i suoi collaboratori si sono concentrati sul pesce zebra, un organismo modello ben studiato. Ma, sebbene molti laboratori abbiano vasche piene di pesce zebra, il team ha voluto concentrarsi sull’ambiente nativo del pesce in India.

“Recentemente è stato scoperto che i pesci rispondono al movimento sotto di loro più fortemente del movimento sopra di loro. Volevamo scavare in quel mistero e capire perché”, ha spiegato Alexander. “Molti pesci zebra che studiamo crescono in vasche di laboratorio, ma i loro habitat nativi hanno plasmato l’evoluzione del loro cervello e dei loro comportamenti, quindi dovevamo tornare alla fonte per indagare sul contesto in cui si è sviluppato l’organismo”.

Armato di attrezzatura fotografica, il team ha visitato sette siti in tutta l’India per raccogliere dati video di fiumi poco profondi, dove vivono naturalmente i pesci zebra. La squadra sul campo ha racchiuso una telecamera a 360 gradi all’interno di una custodia subacquea impermeabile e l’ha collegata a un braccio robotico controllato a distanza. Quindi, hanno usato il braccio robotico per immergere la fotocamera nell’acqua e spostarla.

“Ci ha permesso di mettere i nostri occhi dove sarebbero stati gli occhi di pesce, quindi è vedere ciò che vedono i pesci”, ha detto Alexander. “Dai dati video, siamo stati in grado di modellare scenari ipotetici in cui un pesce simulato si muoveva arbitrariamente in un ambiente realistico”.

‘Aspettami!’

Di ritorno in laboratorio, il team ha anche monitorato i movimenti del pesce zebra all’interno di una sfera di LED. Poiché i pesci hanno un ampio campo visivo, non devono muovere gli occhi per guardarsi intorno come fanno le persone. Quindi, i ricercatori hanno riprodotto stimoli di movimento attraverso le luci e hanno osservato le risposte dei pesci. Quando i modelli sono apparsi sul fondo della vasca, il pesce ha nuotato insieme ai modelli in movimento, un’ulteriore prova che i pesci stavano prendendo i loro segnali visivi guardando in basso.

“Se riproduci un video con strisce in movimento, il pesce si muoverà insieme alle strisce”, ha detto Alexander. “È come se dicessero ‘aspettami!’ Nell’esperimento comportamentale, abbiamo contato i loro battiti della coda. Più agitavano la coda, più volevano stare al passo con le strisce in movimento”.

Il team ha quindi estratto i dati dai suoi video e li ha combinati con i dati di come i segnali di movimento vengono codificati nel cervello del pesce. Hanno inserito i set di dati in due algoritmi preesistenti utilizzati per studiare il flusso ottico (o il movimento del mondo attraverso i nostri occhi o gli obiettivi della fotocamera).

Alla fine, hanno scoperto che in entrambi gli scenari, in natura e in laboratorio, il pesce zebra guarda in basso quando nuota in avanti. I ricercatori hanno concluso che i pesci guardano in basso per capire il movimento del loro ambiente e poi nuotano per contrastarlo, per evitare di essere spazzati via.

“Abbiamo collegato tutto insieme in una simulazione che ha mostrato che, in effetti, si tratta di un comportamento adattivo”, ha affermato Alexander, che ha guidato la parte computazionale dello studio. “La superficie dell’acqua è in continuo movimento e altri pesci e piante si muovono. È meglio che i pesci omettano queste informazioni e si concentrino sulle informazioni sottostanti. I letti dei fiumi hanno molta consistenza, quindi i pesci vedono caratteristiche forti che possono tracciare”.

Costruire robot migliori

Non solo queste informazioni forniscono alcuni dati sul comportamento dei pesci, ma potrebbero anche informare i progetti di sistemi di visione artificiale e sofisticati robot di ispirazione biologica.

“Se stavi realizzando un robot ispirato ai pesci e guardassi solo la sua anatomia, potresti pensare ‘gli occhi puntano di lato, quindi punterò le mie telecamere di lato'”, ha detto Alexander. “Ma si scopre che gli occhi puntano di lato perché stanno bilanciando diversi compiti. Pensiamo che puntino di lato perché è un compromesso: guardano in alto per cacciare e in basso per nuotare”.

Lo studio, “Il flusso ottico negli habitat naturali del pesce zebra supporta i pregiudizi spaziali nella stima dell’auto-movimento visivo”, è stato supportato dalla sovvenzione Young Investigator del programma Human Frontier Science (HSFP RGY0079), dal National Institutes of Health (numero di sovvenzione NIH EY003176) e il Werner Reichardt Center for Integrative Neuroscience (numero di sovvenzione EXC307).