鱼群如何以与大脑类似的方式工作

大脑和一群鱼有什么共同点?它们都能够有效地处理集体信息，尽管它们中的每个单元只能访问本地信息。

在大脑中，来自86亿个神经元的刺激构成了信息处理的基础;在浅滩中，这是每个人关于如何移动和与邻居互动的决定。然而，人们对大脑或一群鱼等生物系统如何设法最佳地将来自不同位置的大量单独信息汇集在一起知之甚少。

有一种假设认为，大脑的最佳表现在于秩序和混乱之间的边界，即所谓的临界状态。来自洪堡大学(HU)，柏林工业大学(TU)和莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所(IGB)的卓越集群“智能科学”的研究人员现在已经能够在大型鱼类群上证明这一假设。该研究发表在NaturePhysics上。

“群体行为通常是关于像雪崩一样传播的信息。在这种状态下，个体对外部刺激的反应最快，信息传递效率最高。我们想调查已经为神经元网络证明的临界规律性是否描述了这种状态，“研究负责人PawelRomanczuk解释说，他是HU生物系教授，也是卓越集群的成员。

关键性：大脑在秩序和混乱之间的阈值上工作最有效

大脑中的信息处理基于大约86亿个神经元的网络。它们以电压脉冲的形式传递信息。根据神经生物学中一篇名为“关键大脑假说”的论文，我们的大脑在处理信息方面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，即有序和混沌，其中秩序意味着神经元以高度同步的方式活跃，混沌意味着细胞彼此独立地发出冲动。

根据临界大脑假说，当神经连接既不太弱也不太强时，即处于秩序和混沌之间的中间状态，称为临界性，大脑内的信息传递效果最好。在这种状态下，大脑是最大的兴奋，即使是很小的刺激也会突然导致大量神经元放电，信息像雪崩一样传播，可以很容易地传输到远离起点的大脑区域。

墨西哥波浪带来最大的警觉性

硫鼹鼠是生活在墨西哥硫化泉中的小鱼，在数十万只浅滩中游泳，表现出一种典型和不寻常的行为：它们在波浪中上下潜水;从鸟瞰图来看，它看起来像一个巨大的墨西哥波浪，重复流形。起初，正如该团队在之前的一项研究中已经表明的那样，小鱼利用挥手行为成功地迷惑了攻击鸟类。

但这种行为也可能具有不同的功能：它可以使群体处于最佳警觉状态-以一种与上述大脑的关键状态非常相似的方式。这种最后一秒的警觉是必要的，因为动物暴露在高捕食者的压力下。

然而，当没有鸟类攻击时，鱼也会执行它们的波浪运动。“出于这个原因，我们想知道休息阶段的这种波运动是否可以类比大脑的神经元锁步，例如，当没有鸟类攻击时，表面波很少，当鸟类攻击时，表面波更强，更多。如果是这样，观察到的群体集体潜水确实会在临界点发生，具有尽可能高的警觉性，“第一作者LuisGómez-Nava解释说，他是卓越集群的研究员。

研究人员将来自该领域行为研究的经验数据与数学模型相结合，因此能够证明大群硫痣的时空集体动力学实际上确实模仿了临界时的可兴奋系统-以一种类似于大脑的方式。

对环境刺激的最大辨别力和最大的通信范围

处于临界点可以让硫磺茉莉群不断注意环境中的干扰，并传递有关提示强度的信息，即使是长距离的。这是与在人工智能领域工作的卓越集群的其他成员罗伯特·兰格和亨宁·斯普雷克勒教授合作证明的。

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的干扰的反应，并得出结论，事实上，群体能够有效地处理外部刺激的信息-就像攻击鸟类一样-对他们有利。

“在硫鼹鼠的情况下，刺激强度与危险相关，因为狩猎鸟类经常用身体进入水中，导致高强度的视觉，声学和流体动力学干扰，而飞越中的鸟类提供很少的视觉线索。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，甚至可能包括重复潜水几分钟。此外，这些信息可以长距离传输，这样鱼即使不在危险区域也可以采取行动-作为一种预防机制，“第一作者LuisGómez-Nava解释说，他是卓越集群的研究员。

“这类似于大脑的工作方式，”他总结道。

然而，鱼群和神经元系统之间也存在重要差异。在神经元系统中，单个元素(神经元)之间相互作用网络的结构变化的时间尺度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，如个体速度或对同种动物的关注，对集体行为有很强的影响，并且可以通过调节个体行为导致自我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，“共同作者JensKrause说，他是HU，IGB和卓越集群的教授。

鱼类的潜水行为与大脑中的神经元活动之间的相似性可以为更好地了解自然界中的集体系统提供见解，也可以提供线索，说明动物群体所表现出的复杂模式在多大程度上可以被解释为一种“集体思维”。