Parallaxe in elektrischen Feldbildern

• Antragsteller: Professor Dr. Jacob Engelmann; Professor Dr. Axel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427854804

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des 18-monatigen Förderzeitraums des Projekts untersuchten wir, ob und wie schwach elektrische Fische die Form des selbst erzeugten elektrischen Feldes beeinflussen, wobei der Fokus auf der Frage lag, ob die Eigenbewegung der Tiere zu einer aktiven Ausnutzung der „elektrischen Parallaxe" zur Tiefenwahrnehmung interpretiert werden kann. Auf der biologischen Seite konditionierten wir schwach elektrische Fische in einem neuartigen 2-AFC-Paradigma auf die elektrische Unterscheidung von Objekten anhand ihrer Größe und Entfernung. Die Unterscheidung basierte vorwiegend auf dem relativen Größenunterschied. Stereotype Bewegungen (va-et-vient-Bewegungen) traten dabei jedoch nicht auf. Auf Grundlage des gewählten Versuchansatzes konnten wir in diesen Experimenten auch erstmals die zeitliche Kapazität des Arbeitszeitgedächtnis elektrischer Fisch ermitteln. Ahnlich zu Messungen an Zebrafischen weisen die vorläufigen Daten auf eine Limitierung von 1-2 Sekunden hin. Trotz des unerwarteten Ausbleibens der va-et-vient Mustern konnten wir unser konzeptionelles Verständnis der Rolle stereotyper motorischer Muster über die Verwendung für die Tiefenwahrnehmung hinaus erweitern. Darauf basierend untersuchen wir nun auch die Rolle solcher Bewegungsmuster bei der Bildung einer räumlichen Repräsentation der elektrosensorischen Umwelt. Ermöglicht wird dies durch im Antrag angestrebte Einbindung von markerfreiem Tracking der Tiere und der Trennung von EODs mehrere Tiere mittels neuronaler Netzwerke. In Fortsetzung der geförderten Arbeiten untersuchen wir nun, wie va-et-vient-Muster zum räumlichen Lernen beitragen. Dies basiert auf dem Ergebnis, dass die Fische in der Lage sind unterschiedliche (elektrische) Szenen zu unterscheiden, wozu sie anscheinend die räumliche Position einzelner Objekte zum Lösen der Aufgabe zu nutzen scheinen. Hierbei treten va-et-vient Muster sowohl beim Erlernen wie auch in Test-Trials auf, in denen einzelne Objekte verändert wurden. Auf der technologischen Seite haben wir uns mit der Frage beschäftigt, ob das Konzept der visuellen Parallaxe auf ein auf elektrischen Feldern basierenden Sensorsystem übertragen werden kann. Dieses sollte eine formale Beschreibung der elektrischen Parallaxe ermöglichen. Für Simu­ lationen wurde dabei eine analytische Abstraktion des elektrischen Feldes des Fisches verwendet. Auf Basis dieses Ansatzes konnten wir die „elektrische Parallaxe" definieren, wozu die „peak-trace" des Spannungsprofils bei Bewegung des Sensors genutzt wurde. Bei der Analyse dieses Param­ eters wurde auch der „elektrische Öffnungswinkel" eines solchen Sensorystems erstmalig definiert. Diese Ansätze werden derzeit in Hardwaremessungen auf die Umsetzung unter realen Bedingungen getestet. In Anknüpfung an die biologische Arbeit befassen wir uns derzeit mit der Frage, wie aktive Feldformung bei der Gewinnung sensorischer Informationen helfen kann. Bei diesem Ansatz untersuchen wir auch, wie die zeitliche Abfolge der Sensorbilder die Informationsqualität unterstützen kann. Dies wird mit der laufenden Untersuchung zum Einfluss der Körperbewegungen beim elektrosensorischen Lernen gekoppelt, wobei das technologische Wissen bei der Quantifizierung des angetroffenen sensorischen Flusses helfen wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Distance estimation in weakly electric fish, G. petersii. Poster at the 113.th Meeting of the German Zoological Society.
  Gaddi, R., Hehemann, L. & Engelmann, J.
  
• Linking active sensing and spatial learning in weakly electric fish. Current Opinion in Neurobiology, 71, 1-10.
  Engelmann, Jacob; Wallach, Avner & Maler, Leonard
  
• Motion parallax for object localization in electric fields. Bioinspiration & Biomimetics, 17(1), 016003.
  Hunke, Kevin; Engelmann, Jacob; Meyer, Hanno Gerd & Schneider, Axel
  
• Motor behavior in a discrimination task. Poster at the 113.th Meeting of the German Zoological Society.
  Arteaga Avendao, M. P & Engelmann, J.
  
• Spatial learning in a swimming tunnel reveals the navigation strategies and the usage of visual and electric infomration in the weakly electric fishApteronotus albifrons. Oral presentation at the 113.th Meeting of the German Zoological Society.
  Papadopoulou, Nia; Lucks, Valerie & Engelmann, Jacob
  
• The Use of Supervised Learning Models in Studying Agonistic Behavior and Communication in Weakly Electric Fish. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 15.
  Pedraja, Federico; Herzog, Hendrik; Engelmann, Jacob & Jung, Sarah Nicola
  
• Feature Extraction from a Static and a Moving One-Dimensional Voltage Sensor Line for the Electric Field-Based Determination of Object Size and Position in Aqueous Media. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 25(9), 10-18.
  Hunke, Kevin; Engelmann, Jacob & Schneider, Axel
  
• Object size and distance discrimination strategies in Gnathonemus petersii. Oral presentation at the Electric Fish Satellite Symposium: Electrosensory and Electromotor Systems, Lissbon, Portugal.
  Arteaga Avendao, M. P & Engelmann, J.