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研究人员开发了预测动物感知行为的新理论

所有大小动物每天都生活在一个不确定的世界中。无论您是人类还是昆虫,您都可以依靠自己的感官来导航和生存。但是,什么驱动了这种基本的感觉呢?

毫不奇怪,动物在搜索时会移动其感觉器官,例如眼睛,耳朵和鼻子。想象一只猫旋转耳朵以捕获重要的声音而无需移动其身体。但是这些感觉器官在行为过程中随时间变化的精确位置和方向并不直观,并且当前的理论不能很好地预测这些位置和方向。

现在,西北大学的研究团队已经开发出一种新理论,可以在寻找对动物生命至关重要的事物时预测其感觉器官的运动。

研究人员将该理论应用于涉及三种不同感官(包括视觉和嗅觉)的四个不同物种,并发现该理论预测了观察到的每只动物的感知行为。该理论可用于提高收集信息的机器人的性能,并可能应用于对不确定性做出重大挑战的自动驾驶汽车的开发。

动物通过运动谋生。为了寻找食物和伴侣并确定威胁,他们需要移动。我们的理论提供了关于动物如何以消耗多少能量来获取他们所需的有用信息的见解。”

西北麦考密克工程学院生物医学与机械工程系首席研究员兼教授Malcolm A. MacIver

MacIver是西北麦考密克工程学院的生物医学和机械工程教授,以及温伯格艺术与科学学院的神经生物学教授(礼节性任命)。

这种新的理论,即所谓的能量约束比例下注,为先前已测量过的感觉器官的许多神秘运动提供了统一的解释。根据该理论得出的算法会生成模拟的感觉器官运动,这些运动与鱼类,哺乳动物和昆虫的实际感觉器官运动显示出良好的一致性。

该研究今天(9月22日)由eLife杂志发表。该研究为动物运动与能量学以及基于信息论的传感方法之间的桥梁提供了桥梁。

MacIver是通讯作者。陈晨,博士 MacIver实验室的学生是第一作者,McCormick的机械工程教授Todd D. Murphey是合著者。

该算法表明,动物在进行能量消耗巨大的运动操作时,会赌太空中的位置会提供很多信息。研究人员表明,他们愿意的能量(最终他们需要吃的食物)的数量与这些地点的预期信息量成正比。

穆菲说:“虽然大多数理论预测动物在很大程度上已经知道某物在哪里时将如何表现,而我们的动物则是预测该动物什么时候知之甚少-这是生活中普遍存在的状况,对生存至关重要。”

该研究使用MacIver实验室中进行的实验数据,重点研究南美裸gym类电鱼,还分析了先前发表的有关美国东部盲人黑痣,美国蟑螂和蜂鸟鹰蛾的数据集。三种感觉分别是电感应(电鱼),视力(蛾)和气味(摩尔和蟑螂)。

该理论提供了一个统一的解决方案,可以解决以下问题:无需花费太多时间和精力来采样信息,而又可以获得足够的信息来指导跟踪和相关探索行为期间的运动。

MacIver说:“当您看着猫的耳朵时,经常会看到它们旋转来采样不同的空间位置。”

“这是动物如何不断定位其感觉器官以帮助它们从环境吸收信息的一个例子。事实证明,在表面之下,诸如耳,眼,鼻等感觉器官的运动有很多。”

该算法是5年前Murphey和MacIver在其受生物启发的机器人工作中开发的一种修改版本。他们观察了动物搜索策略,并开发了算法,使机器人模仿了这些动物策略。

最终的算法为Murphey和MacIver提供了具体的预测,说明动物在寻找某些东西时会如何表现,从而导致了当前的工作。

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