01
研究背景
陆地脊椎动物通过比较每只耳朵接收到的声音压力的时间差和强度差异来定位声源的定向听力机制。然而，由于声音在水中的传播速度更快，同时生物组织具有与水相似的声阻抗，水下环境声波的时间差与强度差相比于空气环境缩小了两个数量级，这使得之前以的定位模型并不能完全解释鱼类的定向听力能力。
02
实验假设
1、鱼类可能依靠侧线进行定向听力
2、鱼类可能进化出了极端敏感的听力感知
3、鱼类通过比较声音压力与粒子运动信号实现定向听力。
03
实验过程
1
这组图片涉及到一个关于鱼类定向听觉的实验设计和结果。
a.这是一个示意图，展示了一个压力波在人类听觉器官中到达时可检测到的时间差（ITD）。在人类中，声音从不同方向到达两只耳朵会产生微小的时间差异，我们的大脑利用这些差异来确定声源的方向。
b. 在水下，这种时间差（ITD）大大减小（这里为Danio rerio估计了一个值）。这是因为水的声速比空气快得多，导致声音到达两只耳朵的时间差非常小，难以被鱼类检测和利用。
c. 行为实验的设置。实验中使用了一个水族箱，周围布置了水下扬声器。
d. 播放范式。实验前，会在水族箱内部多个点校准声压和粒子加速度（上图左上角，橙色十字；参见扩展数据图1c-e）。当鱼游入触发区域（上图右上角，虚线绿框），鱼的朝向与y轴的角度≤45°，并且自上次播放以来已过去≥5秒时，就会触发声音播放。
e. 通过在声音播放后设定一个速度阈值来检测惊吓反应（有关惊吓动态的详细信息，参见扩展数据图4）。上图：所有鱼（n=65）在播放后惊吓（n=1,415）和非惊吓（n=2,383）的中心化轨迹。下图：对齐到t=0的声音触发，惊吓和非惊吓的平均鱼速度。
f. 在两种声音配置中的中心化惊吓轨迹显示了从左侧（58条鱼的125次惊吓试验中的81%；两侧二项式测试：P=2×10^-12）或右侧（56条鱼的115次惊吓试验中的79%；两侧二项式测试：P=2×10^-10）扬声器的方向性逃逸。
g. 将f中的中心化惊吓轨迹汇总，并为右侧扬声器刺激翻转轨迹，总结了远离单一扬声器的方向性逃逸（63条鱼的240次惊吓试验中的80%；两侧二项式测试：P=1×10^-21）。f,g中的热图是标准化和平滑的二维直方图，显示了轨迹终点位置（单刺激数据为灰色；汇总数据为蓝色）。
2
这组图片涉及到鱼类（Danio rerio，即斑马鱼）听觉器官的解剖学、声音刺激的配置以及声音播放后鱼的行为反应。
a. 这是Danio rerio听觉器官解剖学的示意图。这个图展示了鱼类内耳的结构，包括与听觉相关的部分。
b. Schuijf模型：来自左侧的平面波与来自右侧的平面波在压力和定向粒子速度的相位关系上有所不同。这个模型是解释鱼类如何利用声音的压力和粒子运动的相位差异来确定声源方向的理论。
c. 声音刺激配置的插图。扬声器符号内的加号、减号和箭头指的是扬声器信号的极性。L代表左扬声器；R代表右扬声器；P代表只有压力；M代表只有运动。结果轨迹的示意图展示了压力和粒子速度的关系（实际轨迹见扩展数据图2和3）。扬声器的示意图显示了一个简化的配置。主动回声消除通常涉及三个扬声器.
d-f. 声音播放后中心化的惊吓轨迹。
d. 对于正极性信号（与图1g相同的数据）和负极性信号（80%逃避，P=7×10^-23，n=258次惊吓试验，涉及61条鱼），远离单一扬声器的方向性逃避。
e. 在只有压力的正极性条件下（44%的n=90次向右，不显著；P>0.05）和只有粒子运动的条件下（46%的n=192次向右，不显著；P>0.05），没有显著的方向偏差。
f. 两种极性的单扬声器播放汇总，引发了方向性逃避（80%逃避，P=4×10^-43，n=498次惊吓试验，涉及64条鱼）。通过沿正交轴额外一对扬声器选择性地反转压力极性，这会颠倒压力和粒子速度之间的相对极性，从而“欺骗”鱼朝向活跃的扬声器进行惊吓反应（67%接近，P=1×10^-9，n=331次惊吓试验，涉及61条鱼）。
这些结果表明，Danio rerio能够通过比较声音的压力和粒子运动信号来确定声源的方向，而且这种能力不受声音极性的影响。当压力信号被选择性地反转时，鱼的行为反应也会随之改变，这支持了Schuijf模型的预测。
3
这组图片是使用微计算机断层扫描（micro-CT）和光学振动测量技术来研究鱼类（Danio rerio）听觉器官的结构和功能。
a. 基于micro-CT的听觉器官分割图像。图中显示了用于振动测量相位图的视野区域（c-e）。
b. 振动测量方法的示意图。使用激光扫描共聚焦反射显微镜来成像声音场中听觉结构的运动。每个像素在四个声音相位时进行采样，以记录声音诱导的x-y平面内的运动。有关详细信息，请参见方法和扩展数据图10。
c-e. 沿左右扬声器轴的粒子速度相位（φ）和振幅（A）图；相位色轮显示在b中，归一化到图上方指示的最大振幅Amax。c, 压力刺激导致tripus和scaphium的尖端沿中-侧轴产生反相运动（用红色和青色箭头指示）。d, 在背-腹轴上，压力刺激使scaphium和sagitta与周围组织产生相位滞后的运动。e, 粒子运动刺激导致lapillus与周围组织沿中-侧轴产生相对运动。在感兴趣区域内的像素汇总，周围组织的位移振幅为1.24微米±0.14微米，而lapillus的位移振幅为0.95微米±0.05微米。在相对相位0.14π±0.05π下，相对位移可以达到0.56微米（即周围组织运动的45%）。
f. 间接压力感知途径：在压力场中，游泳囊振荡，使tripus和scaphium向内和向外移动。淋巴空间可能将scaphium的运动传递给sagitta。
g. 直接粒子运动感知途径：鱼的组织与水的粒子运动耦合，但密度更大的lapillus相位滞后且振幅较低，导致相对位移，这可能被位于lapillus下方的utricular毛细胞感知。
c-e中显示的观察结果分别在其他鱼中重复了一次、四次和一次，结果相似。f,g中的箭头指示运动方向。尺度条，a为250微米（a）和100微米（c-e）。
这些发现表明，Danio rerio具有复杂的听觉器官，能够通过直接和间接途径感知声音的压力和粒子运动，这些途径可能共同支持其定向听觉的能力。
04
实验结论
实验结果分别对认为鱼类以侧线、或以粒子运动强度差时间差、或以粒子运动方向、或以压力级差时间差实现定向听力的假设做出了反驳，也对于鱼类以比较压力变化与粒子运动方向实现定向听力的schuijf假设做出了有力支撑。
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汇报人：张圣琪、张煜澎
指导教师：姜晓东
本文来源于2024年“水生生物学”课堂讨论。
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