鱼群像大脑一样处理信息
大脑和鱼群有什么共同之处?它们都能够有效地进行集体信息处理，尽管其中的每个单元只能访问本地信息。在大脑中，来自860亿个神经元的刺激构成了信息处理的基础;在浅滩中，每个人都决定如何移动和与邻居互动。然而，对于像大脑或一群鱼这样的生物系统是如何将来自不同位置的大量独立信息最佳地整合在一起的，我们所知甚少。有一种假设认为，大脑在有序和混乱之间的边界，即所谓的临界状态下，表现最佳。来自Humboldt-Universität (HU)、柏林工业大学(TU)和IGB的优秀“智能科学”集群的研究人员现在已经能够在一大批鱼类上证明这一假设。这项研究发表在自然物理．
“群体行为通常是指信息像雪崩一样传播。在这种状态下，个体对外界刺激的反应最为迅速，信息传递最为有效。我们想调查临界性的规律性是否描述了这种状态，这已经在神经元网络中得到了证明，”研究负责人Pawel Romanczuk解释说，他是HU生物系教授和卓越集群的成员。
临界性:大脑在有序和混乱之间的界限处工作最有效
大脑中的信息处理是基于一个由大约860亿个神经元组成的网络。它们以电压脉冲的形式传递信息。根据神经生物学中一篇被称为“关键大脑假说”的论文，我们的大脑在处理信息时如此高效的原因是大脑永远处于两种动态状态之间的临界点，即有序和混乱，其中有序意味着神经元以高度同步的方式活跃，而混乱意味着细胞彼此独立地发出脉冲。
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免费订阅墨西哥波最大警觉性
硫莫利是一种生活在墨西哥含硫泉水中的小鱼，它们成群结队地游泳，表现出一种典型而不寻常的行为:它们在波浪中上下潜水;从鸟瞰的角度看，它就像一个巨大的墨西哥波浪，不断重复。首先，正如该团队已经在之前的研究的时候，小鱼会用挥手的动作成功地迷惑攻击它们的鸟。但这种行为也可能有不同的功能:它可能使蜂群处于最佳警戒状态——在某种程度上非常类似于上面描述的大脑临界状态。这种最后一秒的警觉是必要的，因为动物暴露在捕食者的高压下。
然而，当没有鸟类攻击时，鱼也会进行波浪运动。“出于这个原因，我们想知道这种静止阶段的波动是否可以类比大脑神经元的步调一致，比如，当鸟类不攻击时，表面波很少，而当鸟类攻击时，表面波更强，更多。如果是这样，观察到的蜂群集体潜水确实会发生在临界状态，具有最高的警觉性，”第一作者Luis Gómez-Nava解释说，他是优秀集群的研究人员。
研究人员将该领域行为研究的经验数据与数学模型结合起来，从而能够表明，大群硫mollies的时空集体动态实际上模仿了临界状态下的可兴奋系统——在某种程度上类似于大脑。
最大的环境刺激辨别能力和最大的通讯范围
处于临界点时，硫磺茉莉蜂群可以不断地观察环境中的干扰，并传递有关信号强度的信息，即使距离很远。这是与人工智能领域卓越集群的其他成员罗伯特·兰格(Robert Lange)和亨宁·斯普雷克勒(Henning Sprekeler)教授合作证明的。他们使用最先进的机器学习算法来测试系统对环境中不同强度干扰的反应，并得出结论，事实上，蜂群能够有效地处理外部刺激的信息，比如攻击鸟类。
“在硫莫利的例子中，刺激强度与危险相关，因为狩猎的鸟类经常进入水中，导致高强度的视觉、听觉和水动力干扰，而鸟类在飞越时提供的视觉线索很少。因此，有关刺激强度的信息对于鱼类协调适当的反应非常重要，这甚至可能包括重复潜水几分钟。此外，这些信息可以远距离传输，这样鱼类即使不在危险区也可以采取行动——作为一种预防机制，”卓越集群的研究人员Luis Gómez-Nava解释说。“这与大脑的工作方式相似，”他总结道。
然而，鱼群和神经元系统之间也有重要的区别。在神经元系统中，单个元素(神经元)之间的相互作用网络结构的变化比鱼群中的动态行为慢得多。“动态群体结构和个体行为参数，如个体速度或对同质化的注意力，对集体行为有强烈的影响，并可能通过调节个体行为导致自组织走向临界的替代机制。”在这里，许多问题仍然悬而未决，我们将继续调查，”合著者Jens Krause说，他是HU、IGB和卓越集群的教授。
鱼的潜水行为和大脑中神经元活动之间的相似性可以为更好地理解自然界中的集体系统提供见解，也为在多大程度上可以将动物群体所表现出的复杂模式解释为一种“集体思维”提供线索。
参考:Gómez-Nava L, Lange RT, Klamser PP，等。鱼群类似于由环境扰动驱动的随机可兴奋系统。Nat phy．2023.doi:10.1038 / s41567 - 022 - 01916 - 1
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