Electric Imaging in Weakly Electric Fish and Biomimetic Devices

Abstract

The nocturnal and weakly electric fish <em>Gnathonemus petersii</em> inspects its murky habitats by self-generated electric signals; an adaption called active electrolocation, enabled by the fish's active electric sense. Animals, plants or stones it encounters modulate the fish's emissions, evoking electric images across its electroreceptive skin. Yet, the cues <em>G. petersii</em> derives from these images to determine prey and other relevant organisms remain unknown. Revealing and verifying them experimentally as well as adapting them, along with others, for bio-inspired devices were the two goals of this thesis. <br /> The electric image recordings and behavioral assays presented in the thesis' first two studies show that the fish primarily identifies its invertebrate prey via 'electric colors'. These cues also allow <em>G. petersii</em> to recognize weakly electric or other fishes and plants. According to the recording results, the fish may further judge some organisms by their 'electric brightness', which is also supported by previous behavioral data. Given the findings above, it can be assumed that besides <em>G. petersii</em> many other species of weakly electric fish do sense electric colors and thereby occupy their nocturnal invertebrate-feeder niche. On a broader scope, these color-like cues, determined in an active electrosensory system, suggest 'color' perception as a sensory concept beyond vision and passive sensing. <br /> In the thesis' two final studies, prototypical versions of either an 'electric camera' for object inspections in murky waters or a low-cost catheter system to diagnose atherosclerotic plaques in coronary arteries were developed and tested. Like the fish, they analyze their targets via simple electric image parameters, i.e., electric colors and relative slopes – depicting image blurring – (in the electric camera) or image peaks and rel. slopes (in the catheter system). In doing so, the camera prototype was able to identify nearby fish, plants or metal and plastic objects and to infer object distances. It could also gauge the targets' basic shapes via 'electric outlines' – a novel image cue –, which, in turn, might also be used by <em>G. petersii</em> to estimate a target's geometry and orientation. The catheter system did detect and determine individual types of synthetic plaques, mimicking real low-to-high-risk ones. As suggested by these two successful proofs concepts, mature versions of the devices above should have the potential to improve medical and industrial routines. The use of inexpensive electrolocation catheters, in daily clinical practice, could significantly enhance, the otherwise costly and thus limited, identifications of high-risk plaques along with the chance of preventing their fatal complications in various patients. On the other hand, in increasingly relevant food industries like aquacultures the electric camera could detect damaged net cages, anytime without any sort of lighting, which would save fish stocks without disturbing them.

<strong>Electric Imaging – Aktive Elektroortung in schwach elektrischen Fischen und bionischen Sensoren</strong> <br /> Der nachtaktive und schwach elektrische Fisch <em>Gnathonemus petersii</em> besitzt einen aktiven elektrischen Sinn, der es ihm ermöglicht seine trüben Heimatgewässer mittels selbsterzeugter, elektrischer Signale zu erkunden; eine Anpassung die als aktive Elektroortung bezeichnet wird. Tiere, Pflanzen oder Steine, in der näheren Umgebung, verzerren die Signale des Fisches und erzeugen „elektrische Bilder“, welche er über seine elektrorezeptive Hautoberfläche wahrnimmt. Die Bildparameter, die <em>G. petersii</em> zur Bestimmung von Beutetieren sowie anderer für ihn relevanter Lebewesen verwendet, sind bisher jedoch unbekannt. Ziel dieser Dissertation war es diese Parameter zu untersuchen, verifizieren und sie, neben anderen, für die Entwicklung neuartiger, technischer Geräte zu nutzen. <br /> Elektrische-Bild-Messungen und Verhaltensversuche, in den ersten beiden Studien dieser Arbeit, zeigen, dass der Fisch Beutetiere wie Invertebraten primär durch „elektrische Farben“ erkennt. Sie erlauben ihm ebenfalls schwach elektrische sowie andere Fische als auch Pflanzen zu identifizieren. Bestimmte Organismen werden, wie die Messergebnisse nahelegen, zusätzlich anhand ihrer „elektrischen Helligkeit“ beurteilt, was mit früheren Verhaltensdaten übereinstimmt. Ausgehend von den hier gewonnenen Erkenntnissen lässt sich zum einen vermuten, dass neben <em>G. petersii</em> auch die vielen anderen nachtaktiven, invertivoren Arten elektrische Farben erkennen und somit ihre kritische Futter-Nische erschließen. Die Verarbeitung farbartiger Parameter im aktiven elektrischen Sinn zeigt zum anderen, dass es sich bei Farbwahrnehmung um ein sensorisches Konzept handelt das nicht auf passive und visuelle Sinnessysteme beschränkt ist. <br /> In den letzten beiden Studien dieser Arbeit wurden Prototypen einer elektrischen Kamera für Objektinspektionen in trüben/dunklen Gewässern sowie eines Kathetersystems zur Diagnose arteriosklerotischer Plaques in Koronararterien entwickelt und getestet. Analog zum Fisch analysieren beide Systeme ihre Zielobjekte durch elektrische Bilder und deren Parameter. Die Kamera berechnet elektrische Farben und, über relative Steigungen, den Grad der Bildunschärfe; das Kathetersystem die Peaks der elektrischen Bilder sowie ihre rel. Steigungen. Die Testversuche zeigten, dass der Kamera-Prototyp in der Lage ist Organismen wie Fische und Pflanzen als auch Metall- oder Plastik-Objekte zu unterscheiden und Objektentfernungen zu übermitteln. Die grobe Form der Testobjekte konnte darüber hinaus durch deren „elektrische Umrisse“ bestimmt werden – einen neuen Bildparameter – der im Umkehrschluss auch von <em>G. petersii</em> genutzt werden könnte, um Form und Orientierung eines Objektes einzuschätzen. Das Kathetersystem absolvierte Testreihen in denen synthetische Versionen kleinerer bis hin zu Hochrisiko-Plaques erkannt und differenziert werden konnten. Die erfolgreichen Tests beider Elektroortungssysteme deuten an, dass sie, in ausgereifter Form, medizinische und industrielle Abläufe verbessern können. So ließe sich mit einem günstigen Elektroortungskatheter die derzeit, durch hohe Kosten, eingeschränkte Diagnose von Hochrisiko-Plaques maßgeblich erhöhen, mitsamt der Chance tödliche Komplikationen dieser Plaques in vielen Patienten abzuwenden. In schnellwachsenden, ernährungsrelevanten Industrien wie beispielsweise Aquakulturen könnte die elektrische Kamera zu beliebigen Tages/Nachtzeiten, ohne künstliche Beleuchtung, defekte Netzkäfige erkennen und damit tierschonender Fisch/Produktionsverlusten vorbeugen.