在讀書會的第一篇paper -烏賊3D眼鏡

2021/12/14閱讀時間約 13 分鐘

　　身為實驗極小白，我想，這不是一篇介紹與科普的文章，因為我的目標是確認自己對論文理解度，而記錄一些筆記(&查到的某些神奇但不重要的資料)，教自己一步一腳印看圖表之餘，順便加強邏輯思考能力，可能有過於瑣碎的問題，不過若有機會使讀者更認識這篇研究，那我會很開心~

　　讓烏賊戴上3D眼鏡做實驗是一大創舉，因此基本上網路搜尋幾個關鍵字，就有大量介紹文章與圖片，我也很推薦方格子上由陳政佑所撰寫的【CCC Lab 讀書會筆記】酷了吧！烏賊也有3D電影院科普文，有興趣可以看看，(在我報paper前)實在是獲益良多。另外若我寫的內容有謬誤或對其有不同想法，也歡迎讀者提出或與我聯繫，讓我能修正與進步，畢竟我還是對許多部份了解不夠透徹，請各位不吝指教。

論文標題：Cuttlefish use stereopsis to strike at prey

第一作者：Rachael Feord (她是Cambridge畢業生，現在去當公司業務經理了)
指導教授：美國明尼蘇達大學的Paloma Gonzalez-Bellido、Trevor Wardill老師

　　(兩位老師也有在做果蠅的神經行為研究。其中Wardill老師擁有廣泛興趣，章魚亦是他的研究對象，目前還有進行章魚如何控制觸手做獵物捕抓的實驗。有興趣可以搜尋一下他的lab，老師正在徵求博士後研究生~)

雖然烏賊在進化的道路上很早就與脊椎動物分道揚鑣，但眼睛結構卻和我們有高度的趨同演化(為了生存需要，演化出相似的身體構造)，有一雙美麗的透鏡眼，那他們看到的世界和我們一樣嗎？為了瞭解他們視覺資訊如何被處理，研究團隊給烏賊戴上了3D眼鏡！

A.實驗操作示意圖 B.烏賊戴3D眼鏡沙龍照/ Feord et al. 2020

實驗設計構想來自於過去由Newcastle大學Nityananda教授所作的螳螂研究(對，他們讓螳螂成為第一個戴3D眼鏡的昆蟲)

考慮到關於脊椎動物立體視覺的研究已累積大量資料，他們決定以此方向切入分析，所以第一個實驗，就是要確認烏賊有沒有立體視覺。

什麼是立體視覺(stereopsis)？簡單來說，由於兩隻眼睛位置稍微不同，每隻眼睛接收到的影像會有些差別，透過比較兩眼不同影像而獲取深度訊息、感知物體遠近的能力就是stereopsis。

實驗開始!!!

第一部分

透過呈現具有不一樣間距(disparity)的紅蝦藍蝦影像，虛擬蝦子會分別出現在螢幕上、螢幕前、螢幕後，而戴上眼鏡的烏賊如果具有立體視覺，就會根據對焦出來的虛擬蝦子調整自己與螢幕距離。【C圖】

而通過計算烏賊兩眼間距(interocular distance)與disparity的比例、從0 disparity所量測的眼睛到螢幕距離(distance from screen)，我們可以估算出虛擬蝦子位置，因此也能以此推算不同條件下烏賊所需要的螢幕距離預測值。【D圖】

實驗方法示意圖/ Feord et al. 2020

[關於C圖：在讀書會討論時有產生一些對圖標的疑惑，照理說眼鏡是過濾掉該顏色濾鏡的光，因此左眼應該看不見藍蝦，而是偵測到紅蝦，同理右眼偵測到的應該是藍蝦。猜測他們想讓讀者快速理解而選擇這麼表示，還是他們眼鏡顏色畫錯？可是不管哪個理由誤導都太多了吧]

經過影像分析，可以發現在+disparity越大(虛擬蝦子成像在螢幕前)時，烏賊與螢幕的距離越大，表示牠的確使用雙眼立體視覺去感知蝦子位置，所以為了看清楚蝦子，烏賊必須退後。【E圖】

再來則是觀察不同disparity條件下，烏賊距離預測值-實際測量值差異，可以發現每個數據點差值落在2.5公分上下，表示烏賊與我們預估出來位置差別不大。【F圖】

立體視覺驗證-烏賊眼睛到螢幕距離/Feord et al. 2020

[有關F圖：但是disparity是-1(紅點)或3(綠點)時，預估值與實際量測值有一定差距是為什麼呢？表示我們預測牠應該更往前進或更往後退，但實際量測時卻沒有。推測因為螢幕只擺在缸子一側，當蝦子成像在螢幕後時，烏賊最多只能貼在螢幕前無法再往前進，還有缸子過小限制了烏賊退後，兩個原因造成量測值無法與預估值吻合。讀書會中我們有想到一個方法，如果能再加大缸子長度，可以改善無法後退的問題，另外若有辦法在缸子中央進行蝦子影像投射，在前進上問題也能獲得改善。而要怎麼在水中投影，就是另外一個問題了...]

團隊接著量測攻擊腕(tentacle)長度，發現比起+1~+3 disparity，在-1與0 disparity條件下的烏賊攻擊腕長度較短，這是因為他們離螢幕距離較近，導致攻擊腕無法完全伸長，因此再一次證明他們使用立體視覺。【G圖】

這裡同樣做了攻擊腕預估值與實際值差異分析，可以看見+1~+3 disparity攻擊腕長預估值比實際量測值多了約2公分(黃紫綠點)，也就是說，實際上烏賊比團隊預測更靠近螢幕2公分，所以攻擊腕沒有完全伸長，有可能是因為3D影像成像不佳，導致烏賊看不清楚，需要更往螢幕前進。【H圖】

立體視覺驗證-攻擊腕長度/Feord et al. 2020

[有關H圖：讀書會討論中有猜測，這個2公分的結果可能是團隊進一步作第四部份烏賊眼睛角度觀察的主因，想看烏賊是不是真的更用力看影像]

為了確認蝦子影像部分不會影響烏賊到屏幕距離，他們進行control分析，圖中發現，不管蝦子用游的還是用走的，或改變螢幕的背景對比度，烏賊與屏幕距離上都是差不多的(沒有顯著差異)，表示不論蝦子影像的速度為何、背景是黑or白，並不會顯著影響烏賊偵測虛擬蝦子位置。【A.C圖】

蝦子影像相關影響因子/Feord et al. 2020

另一部份則要確認烏賊自身行為會不會導致偵測蝦子位置受影響，他們觀察烏賊頭部方向(以兩眼之間中線來測量)與烏賊眼睛到螢幕的距離兩者之間的關係，發現烏賊攻擊角度在正負50度間，而數據點分散無相關，表示烏賊頭的偏向和偵測位置沒有太大關聯。【A圖】

再來看到B圖，"眼睛到螢幕角度"與"攻擊腕到螢幕角度”呈現負相關，且兩者角度加起來會差不多等於90度，表示攻擊時烏賊的攻擊腕一直是垂直雙眼間連線的。既然攻擊腕不會隨意偏移，就代表烏賊偵測虛擬蝦子位置也不需要考慮攻擊腕亂偏的問題。【B圖】

烏賊相關影響因子/Feord et al. 2020

上方A.B圖量測示意圖

第一部分告訴我們：嘿！烏賊真的有立體視覺。

第二部分

那有立體視覺真的有比較好嗎？搞不好單眼看物體，烏賊能力也不差？

團隊幫你考慮到這件事情了，所以他們用類似單眼效果的方法(Quasi-monocularly)進行實驗，給烏賊只看一隻紅色或藍色蝦子影像，然後會與使用紫蝦的烏賊(兩眼都偵測的到 ; binocularly)進行比較，以此確認烏賊使用立體視覺是否真的有改善捕食效率。【A圖】

(Quasi-monocularly：因為沒有遮住另一隻眼睛，所以不完全是monocularly)

實驗結果發現，烏賊掠食四階段中的瞄準部分(position那一列)確實存在顯著差異，在只用單眼時必須花更多時間、游行更長距離、更靠近螢幕才能有效對準獵物，不過其他階段則沒有太大差別，表示雙眼立體視覺的確改善烏賊瞄準的效率。【B圖】

單雙眼比較/Feord et al. 2020

［有關B圖：讀書會討論提到，這邊似乎可以再加入一個量測標準，因為只有記錄烏賊到屏幕距離，而不確定烏賊瞄準的成功率，若能給蝦子設置一個方框分析烏賊打擊率，可以更確定使用單眼真的比較難瞄準。］

他們接下來觀察瞄準前後的時間長短有沒有關聯性，發現數據點也是挺分散的，表示無論使用單雙眼，瞄準前後時間並不相關。【左C圖】

右方C圖是觀察一剛開始烏賊所處位置是否影響其瞄準時間，數據點也是呈分散分布，表示不管烏賊最初離屏幕遠或近，跟瞄準時間長短沒有關係。【右C圖】

時間因素影響觀察/Feord et al. 2020

［有關左C圖：我個人還是不太了解：這張圖觀察意義是什麼呢？如果有相關的話，要怎麼去解釋呢？不確定團隊當初為何需要對此進行分析。］

接下來他們去看烏賊是否對蝦子從不同方向出現有一定偏好，從圖中可以看到，蝦子往右往左於烏賊使用單雙眼沒有太明顯差異。【D圖】

蝦子出現方向偏好/Feord et al. 2020

［有關D圖：但往左走的那一部份數據扣掉10.3秒後相對往右走花費時間少一些(少於5秒)，有可能蝦子往右走時，烏賊就有注意到，但牠等到翻轉後才抓，所以反應時間能少於５秒。這部分讀書會提出更好的實驗設計是：直接讓蝦子從兩個方向出來進行記錄，比起中間翻轉，變因控制上較為一致。除非作者當初這麼做有更好的量測目的，不然這個設計的確存在瑕疵。］

第二部分驗證了：烏賊用雙眼瞄準獵物，還真的比較有效率

第三部分

實驗來到第三階段，他們同樣參考了Nityananda教授2018年所作的另一個螳螂研究，烏賊會看到充滿點圖案的螢幕，在影像呈靜止狀態時，我們無法辨認蝦子影像，但當影片播放，蝦子開始移動，且蝦子身上點圖案固定不變，因此會與背景形成對比，出現移動中的蝦子輪廓，因此烏賊可根據接受到的刺激進行攻擊，團隊給予烏賊三種不同的點圖案影像刺激，分別是A.相關(correlated)、B.負相關(anticorrelated)、C.無相關(uncorrelated)，其中後兩者是想觀察烏賊對於局部亮度(較暗的蝦子)是否能有反應，以及兩眼接收的圖像是否需要有關聯性才會進行攻擊(烏賊會看到輪廓極度破碎化的蝦子，或者說，幾乎不能稱之為蝦子)。【A.B.C圖】

A圖左右兩眼綠色藍色亮點位置相同;B圖亮點位置剛好相反;C圖點點圖案與亮點都沒有關聯性/Feord et al. 2020 & Nityananda et al. 2018

結果發現，相關刺激和負相關刺激的測試和第一部分實驗結果一致，越大的disparity，烏賊會離螢幕越遠，且和預測的值差距不大，表示烏賊這兩個情況下都能正確感知烏賊位置，而無相關刺激則是因為烏賊沒有進行攻擊，因此視為烏賊無法對其產生反應。也就是說，烏賊會攻擊暗一點的蝦子，但對於看起來不太像蝦子的東西則不會做捕抓。【A圖與B圖】

兩眼圖像刺激/Feord et al. 2020

第三部分告訴我們，烏賊還是可以正確感知亮度低的蝦子，但對於會動的四不像物體，他們不會進行攻擊

第四部份

接著團隊去觀察烏賊眼球轉動變化，數據顯示烏賊眼睛會隨著瞄準攻擊而逐漸聚焦，而在瞄準階段，0與+2 disparity條件角度量測上出現顯著差異，顯示+2disparity時烏賊需要更用力對焦才能瞄準。【A圖】

眼睛聚焦角度量測/Feord et al .2020

[關於A圖：這裡在文章第一部分有提到，烏賊攻擊腕沒有完全伸展，是因為他們往屏幕更靠近去觀察蝦子，因此團隊可能猜測3D圖像品質不佳，造成烏賊看不清楚，在這邊進一步分析眼睛角度則能更確定圖案不清晰，所以烏賊需要更用力聚焦眼球才能順利辨識圖像。不過不能確定：是眼鏡導致圖像不夠清晰，還是螢幕投影本身存在瑕疵？]

另外從原始數據中有觀察到，進行類單眼實驗的烏賊們左右眼角度變化並不一致，為了更容易理解B圖數據，團隊把"烏賊在0cm和+2cm disparity條件下， T1到T3左右眼之間的角度差異"量化成圖表，可以看到在striking時(C的右圖紅綠實線)，有5%的烏賊雙眼之間角度差10度甚或10度以上，表示在攻擊前，烏賊的雙眼會出現獨立運動，因此造成會聚程度並不相同。【B圖：擷取原始數據其中四個資料；C圖】

眼睛角度變化觀察/Feord et al. 2020

[關於B.C圖：讀書會討論有推測，烏賊可能是為了生存做出這樣的演化應對：在瞄準獵物後，可能某隻眼睛就去察看環境周遭是否有危險，狩獵同時要分心注意自己是否成了別人的獵物，所以兩眼角度多少有些不相同。]

第四部份告訴我們：雖然烏賊會使用雙眼視覺，但牠的眼睛並不一定完全對焦在獵物上。

結論與思考

一路看下來，我想這篇研究最有價值的部份是：提供烏賊進行視覺測試的新方法。

而這也使烏賊成為了第二種被發現具有立體視覺的無脊椎動物。(那第一種是誰呢？沒錯！是螳螂~)

雖然非常酷炫，不過認真討論後才了解到，其操作設計上有許多能再被改善的空間，而且想了解視覺資訊被如何處理，也需要進一步去研究烏賊大腦神經機制。另外第二部分有些做類單眼測試的烏賊，表現居然跟使用雙眼視覺的烏賊一樣好，也代表了在偵測上，烏賊似乎還能使用雙眼以外的線索(比如運動視差)去捕食。相信未來有志繼續探討下去的研究者，也可以納入烏賊偏振光視覺能力做實驗改良，有助於我們更瞭解烏賊眼中的世界。