نقش مفهوم سازی ، تجزیه و تحلیل رسمی ، بررسی ، روش شناسی ، نرم افزار ، تجسم ، نوشتن-پیش نویس اصلی ، نوشتن-بررسی و ویرایش * پست الکترونیکی: wjlee@apl. washington. edu آزمایشگاه های فیزیک کاربردی ، دانشگاه واشنگتن ، سیاتل ، واشنگتن ، متحدایالت های آمریکا ، گروه علوم روانشناختی و مغز ، دانشگاه جان هاپکینز ، بالتیمور ، مریلند ، ایالات متحده آمریکا

نقش مفهوم سازی ، تجزیه و تحلیل رسمی ، بررسی ، روش شناسی ، نرم افزار ، تجسم ، نوشتن - بررسی و ویرایش گروه وابستگی روانی و علوم مغز ، دانشگاه جان هاپکینز ، بالتیمور ، مریلند ، ایالات متحده آمریکا

نقش مفهوم سازی ، تحقیقات ، روش شناسی ، نوشتن - بررسی و ویرایش گروه وابستگی علوم روانشناختی و مغز ، دانشگاه جان هاپکینز ، بالتیمور ، مریلند ، ایالات متحده آمریکا ⨯

نقش مفهوم سازی ، بررسی ، روش شناسی ، نوشتن - بررسی و ویرایش گروه های علوم روانشناختی و مغزی ، دانشگاه جان هاپکینز ، بالتیمور ، مریلند ، ایالات متحده آمریکا ، انستیتوی علوم هند (IISER) پونه ، پونه ، ماهاراشترا ، هند⨯

نقش های تجزیه و تحلیل رسمی ، بررسی ، روش شناسی ، نوشتن - بررسی و ویرایش گروه زیست شناسی ، دانشگاه واشنگتن ، سیاتل ، واشنگتن ، ایالات متحده آمریکا

نقش مفهوم سازی ، جمع آوری بودجه ، منابع ، نظارت ، نوشتن - بررسی و ویرایش گروه وابستگی روانی و علوم مغز ، دانشگاه جان هاپکینز ، بالتیمور ، مریلند ، ایالات متحده آمریکا ⨯

فرمان پرتو سونار با محور

• وو جونگ لی ،
• بنیامین فالک ،
• چن چیو ،
• آناند کریشنان ،
• جسیکا H. آربور ،
• سینتیا اف. ماس

ارقام

خلاصه

حیوانات با حرکات سر، گوش یا چشم، اکتساب حسی را از جهتی خاص تقویت می کنند. به عنوان جانوران حسگر فعال، خفاش های پژواک گیر، پرتو سونار جهت دار خود را نیز هدف قرار می دهند تا حجم محدودی از فضای را به طور انتخابی «روشن» کنند و با کاهش تداخل اکو و درهم ریختگی، پردازش کارآمد اطلاعات را تسهیل کنند. چنین کنترل پرتو سونار عموماً با حرکات سر یا تغییر شکل دهان یا بینی ساطع کننده صدا انجام می شود. با این حال، خفاش های میوه مصری با پژواک زبانی، Rousettus aegyptiacus، که با کلیک کردن روی زبان خود صدا تولید می کنند، می توانند به طور چشمگیری جهت پرتو را در فواصل زمانی بسیار کوتاه بدون تغییرات مورفولوژیکی قابل مشاهده تغییر دهند. مکانیسم پشتیبانی از این قابلیت همچنان یک راز باقی مانده است. در اینجا، سیگنال های خفاش های میوه مصری را که در حال پرواز آزاد بودند اندازه گیری کردیم و یک حرکت زاویه ای سیستماتیک تمرکز پرتو در فرکانس فزاینده را کشف کردیم. این ساختار سیگنال غیرمعمول در حیوانات دیگر مشاهده نشده است و نمی توان آن را با "مدل پیستونی" مرسوم و پرکاربرد که الگوی انتشار سایر گونه های خفاش را توصیف می کند، توضیح داد. از طریق مدل سازی، نشان می دهیم که ویژگی های پرتو مشاهده شده را می توان با آرایه ای از منابع صوتی مبتنی بر زبان که در امتداد دهانه قرار دارند، ضبط کرد، و جهت پرتو سونار را می توان با ایجاد تغییراتی در الگوی تفاوت های فاز از طریق آن، به طور ساده هدایت کرد. محل حرکت زباناین اثرات به طور کلی شبیه به آنهایی است که در یک آرایه فازی یافت می شود - یک طرح مهندسی که به طور گسترده در سیستم های سونار ساخت بشر یافت می شود که تغییر جهت پرتو را بدون تغییر در مجموعه مبدل فیزیکی امکان پذیر می کند. مطالعه ما یک شباهت جالب بین زیست شناسی و مهندسی انسانی را در حل مسائل به روش های اساسی مشابه نشان می دهد.

خلاصه نویسنده

به خوبی شناخته شده است که حیوانات چشم ، گوش و سر خود را به سمت محرک های مورد علاقه حرکت می دهند تا به طور انتخابی اطلاعات را در محیط های پیچیده جمع آوری کنند. جالب اینجاست که خفاش های میوه ای با استفاده از زبانی ، که با کلیک بر روی زبانهای خود ، سیگنال های سونار را برای بومی سازی شیء تولید می کنند ، می توانند به سرعت جهت پرتو سونار را بدون تغییر هدف سر یا شکل دهان تغییر دهند. مکانیسم اساسی این قابلیت ، دانشمندان و مهندسان را به طور یکسان جلب کرده است. در این مطالعه ، ما از ترکیبی از اندازه گیری های تجربی و مدل سازی نظری برای حل این رمز و راز استفاده کردیم. ما فهمیدیم که با افزایش فرکانس سونار ، تمرکز پرتو صدا این خفاش به طور سیستماتیک در طیف وسیعی از زوایا تغییر می کند. این ساختار چند فرکانس غیرمعمول را می توان با مدل سازی انتشار صدا به عنوان مجموعه ای از منابع صوتی واقع در کنار دهان ضبط کرد و توسط زبان کلیک هدایت شد. تغییر تنها موقعیت زبان در این مدل می تواند پرتو سونار را در جهات مختلف هدایت کند ، و اثری را که به طور گسترده ای شبیه به آنچه در یک آرایه فاز سونار ساخته شده انسان یافت می شود ، نشان دهد-طرحی که امکان تغییر جهت پرتو را بدون تغییر مونتاژ مبدل فیزیکی فراهم می کند. بنابراین مطالعه ما موازی جذاب بین زیست شناسی و مهندسی انسانی را نشان می دهد ، که به راه حلهای اساساً مشابه با همان مشکل رسید.

استناد: لی W-J ، Falk B ، Chiu C ، Krishnan A ، Arbor JH ، Moss CF (2017) فرمان پرتو سونار با محوریت توسط یک خفاش میوه ای با استفاده از زبانه. PLOS Biol 15 (12): E2003148. https://doi. org/10. 1371/joual. pbio. 2003148

سردبیر دانشگاهی: لارس چیتکا ، دانشگاه ملکه ماری لندن ، انگلستان انگلیس و ایرلند شمالی

دریافت: 28 مه 2017 ؛پذیرفته شده: 22 نوامبر 2017 ؛منتشر شده: 15 دسامبر 2017

کپی رایت: © 2017 لی و همکاران. این یک مقاله دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز انتساب Creative Commons توزیع شده است ، که اجازه استفاده ، توزیع و تولید مثل بدون محدودیت را در هر رسانه ای می دهد ، مشروط بر اینکه نویسنده و منبع اصلی اعتبار داشته باشند.

در دسترس بودن داده ها: کلیه داده های تجربی و مشبک های خفاش مورد استفاده برای مدل سازی عددی از پایگاه داده Zenodo (https://doi. org/10. 5281/zenodo. 1009209) در دسترس است.

بودجه: جایزه دانشکده الهام بخش ، گروه علوم و فناوری ، دولت هند ، http://www. inspire-dst. gov. in/faculty_scheme. html - دریافت شده توسط AK. دانشگاه آزمایشگاه فیزیک کاربردی واشنگتن کمک هزینه تحصیلی پس از دکتری بذر - دریافت شده توسط WJL. برنامه علمی مرزهای انسانی ، http://www. hfsp. org/awardes/awards-archiver (شماره کمک هزینه RGP0040) - دریافت شده توسط CFM. بنیاد ملی علوم تحقیقات همکاری در علوم اعصاب محاسباتی ، https://www. nsf. gov/awardsearch/showaward؟awd_id=1460149 (شماره کمک هزینه iOS1460149) - دریافت شده توسط CFM. انجمن آکوستیک آمریکا F. V. هانت کمک هزینه تحصیلی پس از دکترا ، http://asastudentcouncil. org/f-v-hunt-postdoctoral-research-fellowship/-دریافت شده توسط WJL. دفتر تحقیقات نیروی دریایی (شماره کمک هزینه N00014-12-1-0339)-دریافت شده توسط CFM. دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (شماره کمک هزینه FA9550-14-1-0398)-دریافت شده توسط CFM. سرمایه گذاران هیچ نقشی در طراحی مطالعه ، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل ، تصمیم به انتشار یا تهیه نسخه خطی نداشتند.

منافع رقابتی: نویسندگان اعلام کرده اند که هیچ منافع رقابتی وجود ندارد.

مخفف: BEM ، روش عنصر مرزی ؛ESD ، چگالی طیفی انرژی ؛FM ، فرکانس مدوله شده ؛μCT ، توموگرافی میکرو کامپیوتری

معرفی

نمونه گیری تطبیقی یک اصل جهانی از سنجش حیوانات است که اخیراً در شیوه های مهندسی محبوبیت پیدا کرده است [1]. با جمع آوری اطلاعات مربوط به اهداف رفتاری ، حیوانات قادر به تجزیه و تحلیل کارآمد و پردازش اطلاعات در محیط های پیچیده هستند [2،3]. حیوانات اکولاکت ، مانند خفاش ها و نهنگ های دندانه دار ، صداها را منتشر می کنند و مداحی های برگشتی را برای ساختن بازنمایی از محیط اطراف خود برای ناوبری و علوفه تجزیه و تحلیل می کنند [4،5]. پرتوهای صوتی آنها بسیار جهت دار و به عنوان "چراغ قوه آکوستیک" برای تقویت اطلاعات از فضای روشن شده و در عین حال سرکوب درهم و برهمی در محیط های پیچیده است [6،7]. نکته مهم این است که حجم نمونه برداری باریک از یک پرتوی بسیار جهت دار ، تنظیم سازگار با جهت پرتو را برای ساختن یک تصویر صوتی جامع از محیط بسیار مهم می کند [8]. این شبیه به روند تثبیت های متوالی فاوال و حرکات چشم ساکادیک برای اسکن یک صحنه بصری در هنگام جستجو و خواندن است [9].

درست همانطور که حرکات سر ، چشم و گوش در دستیابی به تطبیقی اطلاعات حسی ضروری است [9،10] ، یک مشاهده مهم از مطالعات قبلی این است که تغییرات تطبیقی در نمونه گیری بیوسونار جهت دار با حرکات فیزیکی ساختارهای صدای صدا فعال می شوند. در میان گونه های خفاش که با استفاده از حنجره های حنجره خود سیگنال های اکولوژ را تولید می کنند ، کنترل پرتو با چرخاندن سر و تغییر شکاف دهان برای خفاش های دهان و دندان [11] یا تغییر شکل ضمیمه های تخصصی صورت (noseleaves) برای ایجاد بینی انجام می شود. خفاش ها [12-14]. با این حال ، این اصل تجربی کنترل پرتو سونار در مورد گونه های اکولوژیک زبانی که سیگنال های اکولوژ را با زبان خود تولید می کنند ، مانند خفاش میوه مصر (R. Ae Egyptiacus) صدق نمی کند.< Span> درست همانطور که حرکات سر ، چشم و گوش در دستیابی به تطبیقی اطلاعات حسی ضروری است [9،10] ، یک مشاهده مهم از مطالعات قبلی این است که تغییرات سازگار در نمونه گیری بیوسونار جهت دار با حرکات فیزیکی انتشار صدا فعال می شوندسازه های. در میان گونه های خفاش که با استفاده از حنجره های حنجره خود سیگنال های اکولوژ را تولید می کنند ، کنترل پرتو با چرخاندن سر و تغییر شکاف دهان برای خفاش های دهان و دندان [11] یا تغییر شکل ضمیمه های تخصصی صورت (noseleaves) برای ایجاد بینی انجام می شود. خفاش ها [12-14]. با این حال ، این اصل تجربی کنترل پرتو سونار در مورد گونه های زبانه ای که سیگنال های اکولوژ را با زبان خود تولید می کنند ، اعمال نمی شود ، مانند خفاش میوه مصر (R. Ae Egyptiacus). فقط به عنوان حرکات سر ، چشم و گوش ها ضروری استکسب تطبیقی اطلاعات حسی [9،10] ، یک مشاهده مهم از مطالعات قبلی این است که تغییرات تطبیقی در نمونه گیری بیوسونار جهت دار با حرکات فیزیکی ساختارهای ساعتی صدا فعال می شوند. در میان گونه های خفاش که با استفاده از حنجره های حنجره خود سیگنال های اکولوژ را تولید می کنند ، کنترل پرتو با چرخاندن سر و تغییر شکاف دهان برای خفاش های دهان و دندان [11] یا تغییر شکل ضمیمه های تخصصی صورت (noseleaves) برای ایجاد بینی انجام می شود. خفاش ها [12-14]. با این حال ، این اصل تجربی کنترل پرتو سونار در مورد گونه های اکولوژیک زبانی که سیگنال های اکولوژ را با زبان خود تولید می کنند ، مانند خفاش میوه مصر (R. Ae Egyptiacus) صدق نمی کند.

خفاش میوه مصری برخلاف بسیاری از گونه های خفاش، «کلیک های» متناوب با باند چپ و راست را به صورت جفت، به جای منفرد، منتشر می کند [15،16]. یک گزارش اولیه نشان داد که هر جفت کلیک توسط یک سری حرکات پیچیده ایجاد می شود، زیرا خفاش زبان را از پایین دهان دور می کند [17]. کلیک های جفت شده در جهت هایی به بزرگی 60 درجه از یکدیگر اشاره می کنند، اما در زمان تنها با 20 میلی ثانیه از هم فاصله دارند. علاوه بر این، زاویه بین کلیک در هر جفت کلیک به صورت تطبیقی برای محلی سازی دقیق هدف کنترل می شود [15،18]. عجیب است که هیچ حرکت واضحی در سر یا دهان بین انتشار این کلیک ها مشاهده نشده است. پس چگونه این خفاش ها به چنین هدایت پرتو سونار کارآمدی دست می یابند؟ما فرض می کنیم که این قابلیت ها مستقیماً با مکانیسم تولید کلیک زبان محور خفاش مرتبط است. به طور خاص، ما فرض می کنیم که حرکت زبان در طول تولید کلیک منجر به تناوب سریع جهت های کلیک در هر جفت می شود، و هدف پرتو سونار با تغییر موقعیت نسبی زبان کلیک با توجه به دیافراگم گسیل (دیافراگم باریک) تنظیم می شود. لب)، که باعث ایجاد تنوع در اختلاف فاز در سراسر دیافراگم می شود. ما پیش بینی می کنیم که این ویژگی ها به ویژگی های قابل اندازه گیری در الگوی پرتو سونار باند پهن خفاش منجر می شود و ویژگی های الگوی پرتو مشاهده شده را می توان با یک مدل نظری دریافت کرد. مکانیسم های مشابهی برای هدایت پرتو افقی توسط خفاش های حنجره ای ساطع کننده بینی پیشنهاد شده است [19،20]. با این حال، هیچ مدرک تجربی برای تأیید این احتمال در خفاش های حنجره ای یا زبانی وجود ندارد. در این مطالعه، ما این پیش بینی ها را با ترکیب اندازه گیری های صوتی باند پهن از خفاش های پرنده با یک مدل عددی تشکیل پرتو بیوسونار برای به دست آوردن بینشی در مورد مکانیسم های شکل دهی جهت پرتو سونار جفت های کلیک تولید شده توسط خفاش میوه مصری آزمایش می کنیم.

نتایج و بحث

ما الگوی پرتو Biosonar از پرواز آزاد r را بازسازی کردیم. Ae Egyptiacus در کل دامنه ارتفاع آزیموت با استفاده از یک آرایه میکروفون اولتراسونیک سه بعدی و ضبط های ویدیویی با سرعت بالا همزمان (شکل 1 و فیلم S1). الگوهای پرتو این کلیک های سونار پهنای باند به طور قابل توجهی در ارتفاع کشیده شده است (شکل 2A ، S1 شکل) ، با میانگین عرض پرتوهای 3 دسی ب ل-3 دسی بل به ترتیب 25. 2 درجه و 36. 6 درجه ، و میانگین نسبت ابعاد 1. 49 (مشخص می شودبیضوی با بهترین db در 35 کیلوهرتز ، به مواد و روش ها مراجعه کنید). الگوهای پرتو همچنین حاوی توزیع شدت آزیموتال ناهموار در تمام فرکانس ها (شکل 2A و S1 FIG) است که با نتایج قبلی از اندازه گیری های باریک تأیید می شود [15]. علاوه بر این ، پرتوهای سونار یک ساختار چند فرکانس غیرمعمول (شکل 2B) را نشان می دهند: لوب اصلی در فرکانس های پایین تر به صورت جانبی در فرکانس های پایین تر هدایت می شود و بیشتر به سمت محور داخلی (مستقیماً در مقابل حیوان) در فرکانس های بالاتر ، با مرکز قرار می گیرد. از پرتو به ترتیب با 17. 8 درجه و 14. 0 درجه از 25 به 55 کیلوهرتز برای میانگین کلیک چپ و راست تغییر یافته است. این ساختار چند فرکانس در سایر حیوانات اکولوژور ، از جمله خفاش ها و نهنگ های دندانه دار مشاهده نشده است. علاوه بر این ، ویژگی های فوق در تمام کلیک های سمت چپ و راست و کلیک های متوسط حفظ می شود. در اینجا ، میانگین کلیک برای تقویت اندازه گیری های کلیک انفرادی ساخته شده است ، که در فضا درشت تر نمونه برداری شده اند. نتایج حاصل از یک سری از شبیه سازی های مونت کارلو نشان می دهد که اندازه گیری الگوی پرتو ما تحت تأثیر تعصب نمونه گیری مکانی بالقوه (متن S1) قرار نمی گیرد.