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Die visuell motivierte Objektwahl laufender Taufliegen (Drosophila melanogaster) - Verhaltensphysiologie, Modellbildung und Implementierung in einem Roboter

Visually motivated object choice in walking fruit flies (Drosophila melanogaster) – behavioural physiology, modelling and implementation in a robot

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-11748
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden offene Fragen zur Objektwahl, zur Objektbeibehaltung und zur Aufgabe von Zielobjekten bei laufenden Taufliegen (Drosophila melanogaster) untersucht. Die Erkenntnisse zur Objektwahl wurden als kybernetisches Modell formuliert, auf einem eigens dafür konstruierten, autonom navigierenden Roboter mit Kameraauge implementiert und dessen Verhalten bei verschiedenen Landmarkenkonstellationen quantitativ mit dem Orientierungsverhalten laufender Fliegen verglichen. Es war bekannt, dass Drosophila in einer WahlsituationIm Rahmen dieser Arbeit wurden offene Fragen zur Objektwahl, zur Objektbeibehaltung und zur Aufgabe von Zielobjekten bei laufenden Taufliegen (Drosophila melanogaster) untersucht. Die Erkenntnisse zur Objektwahl wurden als kybernetisches Modell formuliert, auf einem eigens dafür konstruierten, autonom navigierenden Roboter mit Kameraauge implementiert und dessen Verhalten bei verschiedenen Landmarkenkonstellationen quantitativ mit dem Orientierungsverhalten laufender Fliegen verglichen. Es war bekannt, dass Drosophila in einer Wahlsituation zwischen unterschiedlich weit entfernten Objekten eine ausgeprägte Präferenz für nahe Objekte zeigt, wobei die Entfernung über das Ausmaß der retinalen Bildverschiebung auf dem Auge (Parallaxe) erfasst wird. In der vorliegenden Arbeit wurde analysiert, ob die Parallaxe streng aus der Eigenbewegung der Fliege resultieren muss oder ob Eigenbewegung der Objekte Nähe vortäuschen und deren Attraktivität erhöhen kann. Es wurde gezeigt, dass die Präferenz für ein Objekt bei Drosophila umso größer wird, je mehr Bewegung dessen Abbild auf der Retina erzeugt; die relative Verschiebung des Objektabbildes muss dabei nicht mit der Eigenbewegung der Fliege gekoppelt sein. Überraschenderweise verschwand die Präferenz für nahe Objekte, wenn eine zusammenstehende Gruppe aus einer nahen und mehreren fernen Objekten präsentiert wurden, solange sie zusammen einen Sehwinkel von weniger als etwa 90° einnahmen. Diese Beobachtung ist konform mit einer Vorstellung, wonach Bewegung über größere Augenbereiche integriert und nicht einzelnen Objekten zugeordnet wird. Obwohl Drosophila bei gleichem Präsentationsort auf der Retina die größere parallaktische Bewegung bevorzugte, wurden bei gleicher Entfernung dennoch frontalere gegenüber lateraleren Objekten bevorzugt. Es wird postuliert, dass der frontale und der caudale Sehbereich eine Verstärkung erfahren, die die physikalisch bedingt geringere Parallaxe überkompensiert. Laufende Fliegen reagieren verzögert auf die Präsentation eines Objekts; dies wird im Sinne einer zeitlichen Bewegungsintegration interpretiert. Die darauf folgende Richtungsänderung hängt vom Präsentationswinkel des Objektes ab. Erscheint das Objekt frontolateral, findet eine Hinwendung statt, erscheint es caudolateral, kommt es bevorzugt zur Abwendung. Eine weitere wichtige kognitive Leistung der Fliege ist das Aufgeben eines zuvor ausgewählten Ziels, wenn sich dieses Ziel während des Anlaufs als unerreichbar herausstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass Fliegen mit stark reduzierten Pilzkörpern erheblich mehr Zeit benötigen als wildtypische Fliegen, um vom gewählten Zielobjekt abzulassen. Dieser dem Perseveranzverhalten bei Parkinson-kranken Menschen ähnliche Phänotyp wurde unabhängig von der Methode der Ausschaltung der Pilzkörper gefunden. Die Dauer der Perseveranz nahm mit zunehmender Attraktivität des Zielobjekts, d. h. mit abnehmender Distanz, zu. Es wird vorgeschlagen, dass die Pilzkörper für die Evaluierung von eingehender sensorischer Information oder für Entscheidungsfindungen im Allgemeinen benötig werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Minimalmodell für die visuelle Orientierung nach Landmarken entwickelt. Das Modell beinhaltet eine zeitliche Integration des optischen Flusses in einem frontolateralen und einem caudolateralen Kompartiment pro Auge. Je nachdem, in welchem Kompartiment eine festgesetzte Schwelle zuerst erreicht wird, kommt es entweder zu einer Hin- (frontolateral) oder zu einer Abwendungsreaktion (caudolateral). Eine Gewichtungsfunktion kompensiert die geringe parallaktische Verschiebung in diesen Sehregionen. Das Modell wurde in einem mobilen Roboter mit Kameraauge implementiert und mit dem visuellen Orientierungsverhalten der Fliege quantitativ verglichen. Der Roboter war in der Lage, viele Aspekte der Landmarkenwahl von laufenden Fliegen erfolgreich zu reproduzieren und fliegenähnliches, autonomes Orientierungsverhalten unter verschiedenen Landmarkenkonfigurationen zu zeigen.show moreshow less
  • The present study addresses open questions regarding visual orientation behaviour of walking fruit flies (Drosophila melanogaster), in particular how they choose near over far objects and how they maintain or adaptively abandon their choice. The findings led to a cybernetic model, suitable to autonomously control a mobile robot with panoramic vision, which was constructed, built and quantitatively compared to fly behaviour during this study. For a wide range of landmark constellations the robot exhibits fly-like orientation behaviour.The present study addresses open questions regarding visual orientation behaviour of walking fruit flies (Drosophila melanogaster), in particular how they choose near over far objects and how they maintain or adaptively abandon their choice. The findings led to a cybernetic model, suitable to autonomously control a mobile robot with panoramic vision, which was constructed, built and quantitatively compared to fly behaviour during this study. For a wide range of landmark constellations the robot exhibits fly-like orientation behaviour. Drosophila is known to choose, with a high probability, the nearest of several similar objects first. Distance to objects is measured by the extent of the retinal shift of their images on the eye (parallax motion). The present study asked whether parallax motion needs to directly result from the fly’s self-motion or whether motion of objects can increase their attractiveness because they appear to be closer to the fly. The data show that flies prefer objects the more, the larger the shift of the object image becomes on the retina. This is independent of the source of the retinal shift, object motion or self-motion of the fly. Surprisingly, the preference for near objects disappeared when a near object was presented together with several distant objects within a viewing angle of less then 90°. This observation led to the assumption that motion parallax is spatially integrated over larger areas of the eye and not seen as an entity of the single object. Physically, the extent of parallax motion caused by a stationary object on the retina of a walking fly depends not only on the distance but also on the angle under which it is seen. Although Drosophila prefers the larger amount of visual motion at a given presentation angle, it clearly prefers frontal over lateral objects. In order to account for the preference for frontal objects an amplification of the frontal and caudal eye regions is postulated which would otherwise receive less parallax motion. It turned out that walking flies respond only delayed to the presentation of a single object. This delay is consistent with the idea of temporal integration of parallax motion in order to judge distance. Astonishingly, the following course change depends on the viewing angle of the object. If an attractive object is shown in the frontolateral eye region the flies turn towards it. If it appears in the caudolateral part of the retina the flies preferentially turn away from it. Among the key abilities of animals must be the ability to give up on a once chosen target object if that object turns out to be inaccessible. The present study proves that flies with a strong reduction in mushroom body volume need considerably more time to give up on an object. The phenotype resembles the perseverance behaviour of humans suffering from Parkinson’s disease and was found regardless of the methods of interference with the mushroom bodies. The duration of the erroneously continued approach in flies with a strong reduction in mushroom body volume increases with decreasing distance between platform rim and landmark. In the absence of landmarks the defective flies behave normally, suggesting that mushroom bodies are involved in the evaluation of incoming sensory stimuli or in more general decision making processes. Modelling and implementation. Based on the findings outlined above a minimal model for landmark orientation has been established. The minimal model is based on a temporal integration of visual motion in four compartments, a frontolateral and a caudolateral compartment per eye. Depending on which compartment reaches a certain threshold first, a turning response will be elicited either towards (frontolateral compartment) or away from the target object (caudolateral compartment). Frontal and caudal eye regions naturally receive less parallax motion than lateral eye regions. To compensate for the small amount of parallax motion in the respective eye regions a weighting function has been introduced. The algorithm was finally implemented on a mobile robot equipped with a fish-eye lens mounted on camera allowing for panoramic vision. The behaviour of the robot was measured and quantitatively compared to the orientation behaviour of walking fruit flies. The robot reproduced successfully many aspects of the fruit fly's landmark orientation behaviour and showed fly-like autonomous orientation behaviour in the presence of various landmark arrangements.show moreshow less

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Metadaten
Author: Markus Mronz
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-11748
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2005/02/02
Language:German
Year of Completion:2004
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Taufliege; Bewegungssehen; Orientierung
Tag:Bewegungssehen; Fliege; Insekt; Orientierung
fly; insect; motion; orientation; vision
Release Date:2005/02/15
Advisor:PD Dr. Roland Strauß