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he most basic behavioural states of animals can be described as active or passive. While high-resolution observations of activity patterns can provide insights into the ecology of animal species, few methods are able to measure the activity of individuals of small taxa in their natural environment. We present a novel approach in which a combination of automatic radiotracking and machine learning is used to distinguish between active and passive behaviour in small vertebrates fitted with lightweight transmitters (<0.4 g).
We used a dataset containing >3 million signals from very-high-frequency (VHF) telemetry from two forest-dwelling bat species (Myotis bechsteinii [n = 52] and Nyctalus leisleri [n = 20]) to train and test a random forest model in assigning either active or passive behaviour to VHF-tagged individuals. The generalisability of the model was demonstrated by recording and classifying the behaviour of tagged birds and by simulating the effect of different activity levels with the help of humans carrying transmitters. The model successfully classified the activity states of bats as well as those of birds and humans, although the latter were not included in model training (F1 0.96–0.98).
We provide an ecological case-study demonstrating the potential of this automated monitoring tool. We used the trained models to compare differences in the daily activity patterns of two bat species. The analysis showed a pronounced bimodal activity distribution of N. leisleri over the course of the night while the night-time activity of M. bechsteinii was relatively constant. These results show that subtle differences in the timing of species' activity can be distinguished using our method.
Our approach can classify VHF-signal patterns into fundamental behavioural states with high precision and is applicable to different terrestrial and flying vertebrates. To encourage the broader use of our radiotracking method, we provide the trained random forest models together with an R package that includes all necessary data processing functionalities. In combination with state-of-the-art open-source automated radiotracking, this toolset can be used by the scientific community to investigate the activity patterns of small vertebrates with high temporal resolution, even in dense vegetation.
Echolocation behavior, a navigation strategy based on acoustic signals, allows scientists to explore neural processing of behaviorally relevant stimuli. For the purpose of orientation, bats broadcast echolocation calls and extract spatial information from the echoes. Because bats control call emission and thus the availability of spatial information, the behavioral relevance of these signals is undiscussable. While most neurophysiological studies, conducted in the past, used synthesized acoustic stimuli that mimic portions of the echolocation signals, recent progress has been made to understand how naturalistic echolocation signals are encoded in the bat brain. Here, we review how does stimulus history affect neural processing, how spatial information from multiple objects and how echolocation signals embedded in a naturalistic, noisy environment are processed in the bat brain. We end our review by discussing the huge potential that state-of-the-art recording techniques provide to gain a more complete picture on the neuroethology of echolocation behavior.
Sound discrimination is essential in many species for communicating and foraging. Bats, for example, use sounds for echolocation and communication. In the bat auditory cortex there are neurons that process both sound categories, but how these neurons respond to acoustic transitions, that is, echolocation streams followed by a communication sound, remains unknown. Here, we show that the acoustic context, a leading sound sequence followed by a target sound, changes neuronal discriminability of echolocation versus communication calls in the cortex of awake bats of both sexes. Nonselective neurons that fire equally well to both echolocation and communication calls in the absence of context become category selective when leading context is present. On the contrary, neurons that prefer communication sounds in the absence of context turn into nonselective ones when context is added. The presence of context leads to an overall response suppression, but the strength of this suppression is stimulus specific. Suppression is strongest when context and target sounds belong to the same category, e.g.,echolocation followed by echolocation. A neuron model of stimulus-specific adaptation replicated our results in silico The model predicts selectivity to communication and echolocation sounds in the inputs arriving to the auditory cortex, as well as two forms of adaptation, presynaptic frequency-specific adaptation acting in cortical inputs and stimulus-unspecific postsynaptic adaptation. In addition, the model predicted that context effects can last up to 1.5 s after context offset and that synaptic inputs tuned to low-frequency sounds (communication signals) have the shortest decay constant of presynaptic adaptation.SIGNIFICANCE STATEMENT We studied cortical responses to isolated calls and call mixtures in awake bats and show that (1) two neuronal populations coexist in the bat cortex, including neurons that discriminate social from echolocation sounds well and neurons that are equally driven by these two ethologically different sound types; (2) acoustic context (i.e., other natural sounds preceding the target sound) affects natural sound selectivity in a manner that could not be predicted based on responses to isolated sounds; and (3) a computational model similar to those used for explaining stimulus-specific adaptation in rodents can account for the responses observed in the bat cortex to natural sounds. This model depends on segregated feedforward inputs, synaptic depression, and postsynaptic neuronal adaptation.
Frontal areas of the mammalian cortex are thought to be important for cognitive control and complex behaviour. These areas have been studied mostly in humans, non-human primates and rodents. In this article, we present a quantitative characterization of response properties of a frontal auditory area responsive to sound in the brain of Carollia perspicillata, the frontal auditory field (FAF). Bats are highly vocal animals, and they constitute an important experimental model for studying the auditory system. We combined electrophysiology experiments and computational simulations to compare the response properties of auditory neurons found in the bat FAF and auditory cortex (AC) to simple sounds (pure tones). Anatomical studies have shown that the latter provides feedforward inputs to the former. Our results show that bat FAF neurons are responsive to sounds, and however, when compared to AC neurons, they presented sparser, less precise spiking and longer-lasting responses. Based on the results of an integrate-and-fire neuronal model, we suggest that slow, subthreshold, synaptic dynamics can account for the activity pattern of neurons in the FAF. These properties reflect the general function of the frontal cortex and likely result from its connections with multiple brain regions, including cortico-cortical projections from the AC to the FAF.
Summary statement When echolocating under demanding conditions e.g. noisy, narrow space, or cluttered environments, frugivorous bats adapt their call pattern by increasing the call rate within biosonar groups.
Abstract For orientation, echolocating bats emit biosonar calls and use echoes arising from call reflections. They often pattern their calls into groups which increases the rate of sensory feedback over time. Insectivorous bats emit call groups at a higher rate when orienting in cluttered compared to uncluttered environments. Frugivorous bats increase the rate of call group emission when they echolocate in noisy environments. Here, calls emitted by conspecifics potentially interfere with the bat’s biosonar signals and complicate the echolocation behavior. To minimize the information loss followed by signal interference, bats may profit from a temporally increased sensory acquisition rate, as it is the case for the call groups. In frugivorous bats, it remains unclear if call group emission represents an exclusive adaptation to avoid interference by signals from other bats or if it represents an adaptation that allows to orient under demanding environmental conditions. Here, we compared the emission pattern of the frugivorous bat Carollia perspicillata when the bats were flying in noisy versus silent, narrow versus wide or cluttered versus non-cluttered corridors. According to our results, the bats emitted larger call groups and they increased the call rate within the call groups when navigating in narrow, cluttered, or noisy environments. Thus, call group emission represents an adaptive behavior when the bats orient in complex environments.
Echoortende Fledermäuse verfügen über ein hochauflösendes Gehör. Sie können anhand einer geringen Zeitverzögerung zwischen ausgesendetem Echoortungsruf und dem Echo die Entfernung von Objekten bestimmen. Je nach Spezies und deren spezifischer Ortungsstrategie gibt es unterschiedliche Typen von Ortungslauten. Die meisten Fledermäuse verwenden frequenzmodulierte (FM) Ortungssignale und zählen zu den FM-Fledermäusen. CF-FM-Fledermäuse verwenden dagegen zusätzlich zu FM-Komponenten konstantfrequente Signalelemente (CF-FM). Diese sind besonders zur Detektion flügelschlagender Beuteinsekten in dichter Vegetation von Vorteil. Im auditorischen Kortex (AC) von Fledermäusen existieren so genannte FM-FM-Neurone, die auf die Auswertung der Verzögerungszeiten zwischen Rufaussendung (FM-Ruf) und Echo (FM-Echo) spezialisiert sind. Eine Besonderheit von FM-FM-Neuronen ist, dass sie bei CF-FM-Fledermäusen systematisch, entsprechend ihrer bevorzugten Echoverzögerungen, im AC angeordnet sind. Somit sind die FM-FM-Neurone chronotop entlang einer rostro-kaudalen Achse organisiert. Solche FM-FM-Neurone wurden bislang auch in FM-Fledermäusen nachgewiesen, jedoch waren sie nicht chronotop organisiert. Ein Ziel dieser Promotionsarbeit war es, FM-FM-Neurone bei der FM-Fledermaus Carollia perspicillata hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrer räumlichen Anordnung im AC zu untersuchen. Die Befunde der vorliegenden Studie an C. perspicillata zeigen, dass alle untersuchten Neurone im dorsalen AC sowohl auf hochfrequente Reintöne als auch auf FM-FM-Stimulation reagierten. Die Echoverzögerungen, auf welche die Neurone im Areal reagierten, lagen zwischen 1 und 32 ms, was einer Distanz zwischen Fledermaus und Objekt von 16 cm bis 5,3 m entspricht. Überraschenderweise waren die kortikalen FM-FM-Neurone bei C. perspicillata chronotop organisiert, ähnlich wie bei insektenfressenden CF-FM-Fledermäusen. Warum eine chronotope Anordnung von FM-FM-Neuronen im AC bei CF-FM-Fledermäusen von Nutzen sein kann, ist nicht geklärt. Bislang wurde vermutet, dass eine systematische Anordnung die Zeitverarbeitungsprozesse optimiert und vor allem beim Insektenjagen in dichter Vegetation vorteilhaft sein könnte. Der vorliegende Befund ist außergewöhnlich, da er zeigt, dass auch bei der überwiegend frugivoren Fledermaus C. perspicillata FM-FM-Neurone chronotop angeordnet sind, und damit verdeutlicht, dass der funktionelle Rückschluss hinsichtlich des Beutefangs neu diskutiert werden muss. Neben der Charakterisierung von FM-FM-Neuronen bei adulten C. perspicillata war Ziel der vorliegenden Arbeit, die postnatale Entwicklung des AC im Hinblick auf die Frequenzrepräsentation zu untersuchen. Während der Entwicklung von C. perspicillata wurden drei wichtige Veränderungen festgestellt: (1) Das Audiogramm zeigt, dass der Hörbereich von Neugeborenen charakteristische Frequenzen (CF) zwischen 15 und 80 kHz aufweist. Dieser Frequenzbereich entspricht etwa 72% des Hörbereichs von Adulten. Während der ersten vier postnatalen Entwicklungswochen findet eine Frequenzverschiebung um etwa 0,4 Oktaven hin zu höheren Frequenzen statt. Insgesamt erhöhen sich die CF der Neurone im dorsalen AC von Neugeborenen bis hin zu Adulten um 30 kHz. (2) Die Sensitivität der hochfrequenten Neurone nimmt während der ersten postnatalen Woche um 15 dB zu und bleibt ab dieser Entwicklungsphase relativ konstant. (3) Die Sensitivität der tieffrequenten Neurone im ventralen AC nimmt im Laufe der Entwicklung um etwa 30 dB zu. Die CF der tieffrequenten Neurone sinken unerwartet während der postnatalen Entwicklung von Juvenilen zu Adulten um etwa 10 kHz. Diese Ergebnisse könnten auf eine bidirektionale Ausreifung der Cochlea hinweisen. Eine dritte ontogenetische Teilstudie der vorliegenden Arbeit befasste sich erstmalig mit den FM-FM-Neuronen und deren Organisation während der postnatalen Entwicklung. Die Befunde zeigen, dass während der Ontogenese drei wichtige Modifikationen auftreten: (1) Bereits bei Neugeborenen liegt der Anteil an FM-FM-Neuronen bei 21% im Vergleich zur Aktivität auf Reintöne. Dieser Anteil nimmt in der ersten Entwicklungswoche auf 56% zu und steigt einhergehend mit der beginnenden Flugtüchtigkeit der Tiere in der dritten Entwicklungswoche abrupt auf 84%. (2) Bei Neugeborenen werden im Vergleich zu älteren Entwicklungsphasen ausschließlich Entfernungen zwischen Fledermaus und Objekt von 50 cm bis 2,5 m auf neuronaler Ebene mittels FM-FM-Neurone codiert. Bereits nach der ersten postnatalen Woche sind die CD ähnlich verteilt wie bei adulten Tieren. Die Sensitivität an den CD nimmt während der Entwicklung vom Neugeborenen zum Adulten um etwa 20 dB zu. (3) Bereits bei Neugeborenen sind die FM-FM-Neurone im dorsalen AC chronotop angeordnet und über alle Altersgruppen hinweg bleibt die Chronotopie bestehen. Die Befunde der vorliegenden Studie zeigen erstmalig, dass die kortikalen Zeitverarbeitungsareale und die Chronotopie pränatal angelegt werden.