Tese de Mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasO comportamento animal é uma área fascinante do ponto de vista físico, no entanto ainda existem vários desafios associados à construção de modelos ou ao desenvolvimento de teorias do comportamento em física. Um dos desafios é desenvolver modelos diretamente dos dados, eliminando o viés antropocêntrico que existe na definição de estados comportamentais. Um bom exemplo da complexidade associada ao comportamento pode ser encontrado em interações sociais, nomeadamente interações agonistas entre peixes-zebra (Danio rerio). Estas interações são bem compreendidas e estereotípicas, e existem catálogos a descrever os estados comportamentais associados a cada fase da interação. Isto e a versatilidade genética a que o peixe zebra se encontra associado, tornam esta interação ideal para o nosso estudo. O nosso objetivo principal consiste na tentativa de derivar um conjunto de estados comportamentais diretamente a partir dos dados experimentais obtidos, sendo estes estados definidos para o conjunto, e não individualmente. Fazemos isso sob a assunção de em interações sociais, estados comportamentais dependem dos elementos envolvidos nessa interação (neste caso, são peixes-zebra) e que esta não é completamente descrita, exceto se levar ambos em conta simultaneamente. Os dados são esqueletos tridimensionais dos 2 peixes-zebra num volume. O processo de aquisição desses dados consiste na aquisição de imagens em 3 planos bidimensionais com câmaras de alta definição, e um pipeline de processamento, que combina várias redes neuronais para a identificação de pontos corporais, a atribuição de identidade temporal aos peixes envolvidos, e a interpolação das imagens nos diferentes planos. Este processo permite a conversão de vários vídeos em sinais temporais que podem ser manipulados e processados de forma adequada. Usamos variáveis interpretáveis, no caso, a distância, os alinhamentos de direcção e aceleração, e os ritmos de batimento de cauda. Essas variáveis embora sejam simples, podem dizer bastante informação sobre a natureza do comportamento, sendo úteis numa exploração inicial. Definimos estados comportamentais compostos (colecção de vários comportamentos efectuados pelos peixes ao longo de um determinado período de tempo) e exploramos a dinâmica de uma luta nesta descrição simplificada. O sistema que resulta das variáveis definidas possui 6 dimensões, projectamos esse sistema para um plano bidimensional para melhor análise. Efectua-se um histograma das novas variáveis, e ter uma estimativa da densidade de probabilidade através da convolução do mesmo com uma gaussiana bidimensional. Detecta-se os picos de densidade, que neste sistema podem ser interpretados como estados comportamentais. Com essa descrição é possível gerar uma sequência simbólica que representa a dinâmica da interacção como sendo a transição entre vários estados comportamentais discretos. Constrói-se uma matriz que representa a transição entre os vários estados, e por decomposição espectral pode-se observar o comportamento dos valores próprios em função do número de transições e é possível decompor os estados em vários conjuntos através dos vectores próprios, cuja dinâmica entre eles é representada pelo valor próprio associado. Através da sequência simbólica é possível uma descrição da interacção entre os elementos, tendo inclusive informação sobre a escala temporal associada à dinâmica entre esses estados. Ao associar os clusters aos diferentes estados comportamentais compostos definidos previamente, é possível ver que certos clusters se encontram associados, e apresenta uma certa estrutura, que pode ser representativa da dinâmica real. Também é possível determinar a escala temporal de interações entre diferentes conjuntos de clusters. Foi possível determinar que os comportamentos ocorrem em escalas temporais maiores do que a escala típica para processo de Markov, e a escala temporal mais elevada se encontra associada a transição entre estados associados à agressão entre o par, e estados associados aos períodos entre lutas. Mostramos que é possível obter uma estrutura comportamental da luta entre dois peixes-zebra utilizando as variáveis simples que definimos. Isto é um framework que permite explorar a dinâmica da sua interação em maior detalhe, a utilizar variáveis ou representações mais precisas, que podem não ser interpretáveis
