[논문 리뷰] Collective departures in zebrafish: profiling the initiators

Bertrand Collignon, Axel Séguret외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 13.

Zebrafish Biomedical Research Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 개별 생물 추적을 통해 집단 이동 중 제비드래기 무리에서의 리더십 역학을 조사한다. 모든 물고기가 이동을 시작하려는 尝시를 하지만, 리더십은 성공률이 아니라 개인의 활동성과 속도의 차이로 인해 균등하지 않게 분포되며, 무리 규모와 개인적 특성에 따라 지속적으로 평등에서 독점에 이르기까지 다양하게 변화한다.

ABSTRACT

For animals living in groups, one of the important questions is to understand what are the decision-making mechanisms that lead to choosing a motion direction or leaving an area while preserving group cohesion. Here, we analyse the initiation of collective departure in zebrafish extit{Danio rerio}. In particular, we observed groups of 2, 3, 5, 7 and 10 zebrafish swimming in a two resting sites arena and quantify the number of collective departure initiated by each fish. While all fish initiated at least one departure, the probability to be the first one to exit a resting site is not homogeneously distributed with some individuals leading more departures than others. We show that this number of initiation is linearly proportional to the number of attempts performed and that all fish have the same success rate to lead the group out of a resting sites after an attempt. In addition, by measuring the average swimming speed of all fish, we highlight that the intra-group ranking of a fish for its proportion of initiation is correlated to its intra-group ranking in average speed. These results highlight that the initiation of collective departure in zebrafish is a heterogeneously distributed process, even if all individual have the same success rate after attempting a departure.

연구 동기 및 목표

• 리더십이 없는 제비드래기 무리에서 집단 이동 중 리더십 분포를 이해하기 위해.
• 속도, 활동성, 또는 위치와 같은 개인적 특성이 무리 이동을 시작할 가능성을 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 리더십이 특정 개인에 의해 일관되게 차지되는지, 아니면 그룹 구성원 간에 동적으로 공유되는지 확인하기 위해.
• 무리 규모가 리더십 역할의 분포와 안정성에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 단순히 낙관/수줍음으로 나누는 이진 분류를 넘어서, 리더십을 연속적이고 특성 기반의 분포로 분석함으로써 이를 도전하기 위해.

제안 방법

• 2, 3, 5, 7, 10마리의 무리에서 제비드래기의 개별 식별을 위해 고유한 색소 패턴을 활용한 추적을 60분 세션 동안 실시.
• 모든 집단 이동 사건을 기록하고, 각 사건에서 이동을 시작한 물고기를 식별.
• 개별 성공률을 시도한 횟수 중 실제로 무리를 이끈 비율로 측정.
• 리더십 순위와 평균 속도, 활동 수준 등의 개인 지표 간 상관관계 분석.
• 기억 효과나 순차적 의존성 여부를 테스트하기 위해 리더십 교체의 시간적 패턴 분석.
• 모의 실험과 통계 모델링을 사용하여 리더십 분포가 연속적 특성 분포에서의 표본 변동을 반영하는지 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 리더십이 없는 무리에서 일부 제비드래기가 다른 사람들보다 더 많은 집단 이동을 시작하는가?
• RQ2 이동 시작 성공률은 개인 간에 다를까, 아니면 모든 물고기에서 일관되게 유지되는가?
• RQ3 리더십 교체에 시간적 패턴이 있는가, 예를 들어 번갈아가며 리더가 되는가, 또는 지배 계층 구조가 존재하는가?
• RQ4 무리 규모는 리더십 분포에 어떻게 영향을 미치며, 평등에서 독점에 이르기까지 어떻게 변화하는가?
• RQ5 리더십은 속도나 활동 수준과 같은 개인 행동 특성과 어느 정도 관련이 있는가?

주요 결과

• 모든 물고기가 최소 한 번 이상 이동을 시작하려는 尝시를 하지만, 리더십은 균등하지 않게 분포되며, 일부 개인이 다른 사람들보다 훨씬 더 많이 이동을 시작한다.
• 이동 시작 성공률은 개인 간에 동일하다 (합산 성공률 약 30%), 하지만 무리가 커질수록 감소한다.
• 리더십 교체에 시간적 조직이 없으며, 이전 리더십 상태에 따라 리더가 될 확률이 달라지지 않는다.
• 기본적으로 이니셔에 대한 무리 내 순위는 평균 속도 순위와 강하게 상관되어 있어, 빠른 물고기가 더 자주 리더가 된다.
• 리더십 분포는 평등에서 매우 편향된 상태까지 연속적으로 변화하며, 이중 무리에서는 가장 넓은 범위를 보이는데, 이는 평등 공유에서 한 물고기가 이동의 약 85%를 이끄는 경우까지 포함된다.
• 더 큰 무리(5~10마리)에서는 리더십이 거의 항상 균등하지 않지만, 한 마리의 물고기가 모든 이니셔를 독점하지는 않으며, 안정적이지만 비균일한 분포를 보인다.