dc.contributor.author
Burchardt, Lara Sophie
dc.date.accessioned
2021-09-07T06:14:27Z
dc.date.available
2021-09-07T06:14:27Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/31526
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-31257
dc.description.abstract
Rhythms, these systematic patterns of events in time, are very important for all kinds of aspects of
communication. We are trying to understand their importance for communication with regards to their
perception and production in both humans and other animals. My thesis investigated these rhythms in
animals’ acoustic signals and especially focused on the evaluation and development of method for the
comparable and reproducible analysis of rhythmic structures. I investigated the rhythm production in
bats, birds and whales and studied rhythm perception in various bat species. Under study were mostly
isochronous patterns, which are very simple, metronome-like structures. A total of 17 datasets from 14
different species including 940 sound sequences were analysed and exact isochronous beat frequencies
(in Hertz as in beats per second) calculated, that describe the sound sequences well. Isochronous beat
frequencies were analysed for three different sequence types (i.e., uttered in different distinct contexts)
of the greater sac-winged bat Saccopteryx bilineata, where analysed with a generate-and-test approach.
They share a common rhythm of around 6 to 24 Hz, that can be linked to the wingbeat (around 12 Hz)
frequencies of that species, even though two of the three analysed sequence types were uttered while
bats were not flying. I then establish a workflow on how to analyse the temporal structure – namely the
rhythm – of any animals’ acoustic signal with methods that are applicable for a wide range of signals
and results that are easily comparable and interpretable. This workflow will enhance the understanding
of rhythmicality in animals’ acoustic signals as well as facilitate cross-species comparison. Methods that
were included ranged from simple distributional and visual analysis to higher mathematics such as
Fourier analysis. All analyses rely on Inter-Onset-Intervals, the duration between the beginning of one
sound element and the next sound element in a given sequence. For the workflow different already
established and newly developed methods were tested on three datasets: isolation calls of the two bat
species S. bilineata and Carollia perspicillata and echolocation call sequences of a female sperm whale
(Physeter macrocephalus). Furthermore, an auditory brainstem response procedure – a well-established
method, measuring evoked field potentials in the auditory brainstem – was adjusted to measure rhythm
perception in small mammals. Its general applicability could be confirmed in this thesis. Using 12
species of Central American bats as an example, we found differences in perception strength depending
on the stimulus presentation rate for artificial and natural stimuli in untrained wild and captive bats.
Lower stimulus presentation rates, i.e., slower isochronous rhythms, consistently elicited higher
reactions than faster stimulus presentation rates. Perception rhythms could in parts be matched to the
production rhythms of echolocation call sequences of the 12 tested species, that also showed isochronous
rhythms. A key finding of this work was the development of a universal goodness-of-fit value, indicating
how well a beat frequency in Hertz describes any element sequence, it can be applied for various
methods and is easily comparable. It was tested on all datasets mentioned above, as well as on complex
flight songs of the skylark Alauda arvensis. The flight songs also served to adjust the use of Fourier
analysis for the rhythm analysis of more complex signals, as well as to illustrate the use of so-called
recurrence plots for the identification of substructures in a complex sound sequence using their temporal
structure.
This work can contribute to a better understanding of rhythms in animals’ acoustic signals and help in
the quest to uncover adaptive functions and the evolution of rhythmicality in acoustic communication
in humans and other animals alike, furthering research on the evolution of language as well as music,
and the general knowledge about the different aspects and their importance of acoustic communication
in animals.
en
dc.description.abstract
Rhythmen, diese regelmäßigen Abfolgen von Ereignissen über die Zeit, sind sehr wichtig für alle
möglichen Aspekte von akustischer Kommunikation. Wir versuchen, ihre Bedeutung für
Kommunikation in Bezug auf ihre Wahrnehmung und Produktion sowohl bei Menschen als auch bei
anderen Tieren zu verstehen. Ich untersuchte diese Rhythmen in akustischen Signalen von Tieren und
konzentrierte mich insbesondere auf die Evaluierung und Entwicklung von Methoden zur
vergleichbaren und reproduzierbaren Analyse von rhythmischen Strukturen. Ich untersuchte die
Rhythmusproduktion bei Fledermäusen, Vögeln und Walen und studierte die Rhythmuswahrnehmung
bei verschiedenen Fledermausarten. Untersucht wurden vor allem isochrone Muster, das sind sehr
einfache, Metronom-ähnliche Strukturen. Insgesamt wurden 17 Datensätze von 14 verschiedenen Arten
mit 940 Lautsequenzen analysiert und exakte isochrone Beatfrequenzen (in Hertz, so wie in Beats pro
Sekunde) berechnet, die die Lautsequenzen gut beschreiben. Ein weiterer wichtiger Parameter in diesem
Zusammenhang sind Gütewerte, die angeben, wie gut eine berechnete Frequenz eine einzelne
Sequenz beschreibt.
In einer ersten Studie wurden die isochronen Beatfrequenzen für drei verschiedene Sequenztypen der
Großen Sackflügelfledermaus Saccopteryx bilineata analysiert. Ein Sequenztyp ist durch eindeutige
Lautcharakteristika oder einen eindeutigen Verhaltenskontext definiert. Die Analysen erfolgten mit
einem Generate-and-Test-Ansatz. Alle drei Sequenztypen haben einen gemeinsamen Rhythmus von ca.
6 bis 24 Hz, der mit den Flügelschlagfrequenzen (ca. 12 Hz) dieser Art in Verbindung gebracht werden
kann. Dabei wurden zwei der drei untersuchten Sequenztypen geäußert während die Fledermäuse gar
nicht flogen. Anschließend erstellte ich eine Anleitung, wie man die zeitliche Struktur – oder den
Rhythmus – der akustischen Signale eines beliebigen Tieres mit Methoden analysiert, die für eine breite
Palette von Signalen anwendbar sind und deren Ergebnisse leicht vergleichbar und interpretierbar sind.
Diese Anleitung wird das Verständnis von Rhythmus in akustischen Signalen von Tieren verbessern und
vor allem den Vergleich zwischen verschiedenen Arten erleichtern. Die Methoden, die einbezogen
wurden, reichen von einfachen Verteilungs- und visuellen Analysen bis hin zu höherer Mathematik wie
der Fourier Analyse. Alle Analysen basieren auf Inter-Onset-Intervallen, also den Zeitintervallen zwischen dem Beginn eines Lautelements und dem nächsten Lautelement in einer bestimmten Sequenz.
Für diese Anleitung wurden verschiedene bereits etablierte, sowie von mir neu entwickelte Methoden
an drei Datensätzen getestet: Isolationsrufe der beiden Fledermausarten S. bilineata und Carollia
perspicillata sowie Echoortungssequenzen eines weiblichen Pottwals (Physeter macrocephalus). Ein
wesentliches Ergebnis dieser Arbeit war darüber hinaus die Entwicklung eines universellen Gütewerts,
der angibt, wie gut eine Beat Frequenz in Hertz eine beliebige Elementsequenz beschreibt. Er ist für
verschiedene Methoden anwendbar und leicht vergleichbar. Er wurde an allen oben genannten
Datensätzen sowie an komplexen Fluggesängen der Feldlerche Alauda arvensis getestet. Die
Fluggesänge dienten auch dazu, die Verwendung der Fourier-Analyse für die Rhythmusanalyse
komplexerer Signale anzupassen, sowie die Verwendung sogenannter Recurrenceplots zur
Identifikation von Substrukturen in einer komplexen Lautfolge anhand ihrer zeitlichen Struktur zu
veranschaulichen.
Darüber hinaus wurde das sogenannte „Auditory Brainstem Response“-Verfahren – eine etablierte
Methode, die akustisch evozierte Feldpotentiale im auditorischen Hirnstamm misst – angepasst, um die
Rhythmuswahrnehmung bei kleinen Säugetieren zu untersuchen. Seine allgemeine Anwendbarkeit
konnte in dieser Arbeit bestätigt werden. Am Beispiel von 12 in Mittelamerika heimischen
Fledermausarten wurden Unterschiede in der Wahrnehmungsstärke in Abhängigkeit von der Stimulus-
Präsentationsrate für künstliche und natürliche Reize bei untrainierten Tieren aus freier Wildbahn und
in Gefangenschaft gefunden. Niedrigere Stimulus Präsentationsraten, d.h. langsamere isochrone
Rhythmen, lösten durchweg höhere Reaktionen aus als schnellere Stimulus Präsentationsrate. Die
Wahrnehmungsrhythmen konnten teilweise mit den Produktionsrhythmen von Echoortungssequenzen
der 12 untersuchten Arten abgeglichen werden, die ebenfalls isochrone Rhythmen aufwiesen.
Diese Arbeit kann zu einem besseren Verständnis von Rhythmen in akustischen Signalen von Tieren
beitragen und bei der Suche nach adaptiven Funktionen und der Evolution von Rhythmus in der
akustischen Kommunikation sowohl beim Menschen als auch bei anderen Tieren helfen. Sie kann
darüber hinaus dazu beitragen, die Forschung zur Evolution der Sprache sowie der Musik zu fördern.
Zudem trägt sie zum allgemeinen Wissen über die verschiedenen Aspekte und ihre Bedeutung der
akustischen Kommunikation bei Tieren bei.
de
dc.format.extent
xi, 183 Seiten
dc.rights.uri
https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subject
Acoustic Signals
en
dc.subject
Rhythm Analysis
en
dc.subject
Fourier Analysis
en
dc.subject
Animal Communication
en
dc.subject
Tierkommunikation
de
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Rhythm in Animals’ Acoustic Signals: Novel Methods for the Analysis of Rhythm Production and Perception on the Example of Bats, Birds, and Whales
dc.contributor.gender
female
dc.contributor.firstReferee
Knörnschild, Mirjam
dc.contributor.furtherReferee
Scharff, Constance
dc.date.accepted
2021-07-29
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-refubium-31526-4
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
refubium.note.author
gefördert durch ein Elsa-Neumann Stipendium
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access