Поведение муравьев как группы похоже на нейронные сети
Муравьиные колонии ведут себя как нейронные сети при принятии решений.
Ученые разработали новую экспериментальную установку для тщательного анализа процесса принятия решений в муравьиных колониях . Как сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences, они обнаружили, что когда колония эвакуируется из-за повышения температуры, ее решение зависит как от величины повышения температуры, так и от размера группы муравьев.
Полученные данные свидетельствуют о том, что муравьи объединяют сенсорную информацию с параметрами своей группы, чтобы получить групповой ответ — процесс, похожий на нейронные вычисления, приводящие к принятию решений.
«Мы впервые предложили подход к пониманию муравьиной колонии как когнитивной системы, которая воспринимает входные данные, а затем переводит их в поведенческие результаты», — говорит Дэниел Кронауэр, автор исследования. «Это один из первых шагов к настоящему пониманию того, как сообщества насекомых участвуют в коллективных вычислениях».
Новая парадигма
На самом базовом уровне принятие решений сводится к серии вычислений, направленных на максимизацию выгод и минимизацию затрат.
Например, в распространенном типе принятия решений, называемом пороговой сенсорной реакцией, животное должно обнаруживать сенсорные входные данные, такие как тепло выше определенного уровня, чтобы произвести определенное действие, например, отойти. Если повышение температуры недостаточно велико, оно того не стоит.
Ученые хотели исследовать, как этот тип обработки информации происходит на коллективном уровне, где в игру вступает групповая динамика. Они разработали систему, в которой они могли точно возмущать муравьиную колонию с контролируемым повышением температуры.
Чтобы отслеживать поведенческие реакции отдельных муравьев и всей колонии, они помечали каждое насекомое разноцветными точками и следили за их движениями с помощью камеры слежения.
Как исследователи и ожидали, колонии установленного размера из 36 рабочих муравьев и 18 личинок эвакуировалась, когда температура достигла 34 градусов по Цельсию. По словам ученых, это открытие интуитивно понятно, потому что «если вам становится слишком некомфортно, вы уходите».
Однако исследователи были удивлены, обнаружив, что муравьи реагируют не только на саму температуру.
Когда они увеличили размер колонии до 200 особей, температура, необходимая для принятия решения об уходе, увеличилась. Например, колонии из 200 особей продержались до тех пор, пока температура не поднялась выше 36 градусов.
«Похоже, что порог не является фиксированным. Скорее, это возникающее свойство, которое меняется в зависимости от размера группы», — говорит Дэниел Кронауэр.
Отдельные муравьи не знают о размере своей колонии, так как же их решение может зависеть от этого?
Ученые подозревают, что объяснение связано с тем, как феромоны, невидимые посланники, передающие информацию между муравьями, усиливают свой эффект, когда муравьев становится больше. Исследователи используют математическую модель, чтобы показать, что такой механизм действительно правдоподобен.
Но они не знают, почему более крупные колонии требуют более высоких температур, чтобы покинуть место. Ученые предполагают, что может быть так, что чем больше размер колонии, тем обременительнее и сложнее переселение, что повышает критическую температуру, при которой происходит смена места колонии.
В будущих исследованиях ученые надеются усовершенствовать свою теоретическую модель процесса принятия решений в колонии муравьев, вмешавшись в большее количество параметров и посмотрев, как реагируют насекомые.
Например, они могут вмешиваться в уровень феромонов в колонии муравьев или создавать генетически измененных муравьев с различными способностями обнаруживать изменения температуры.
«До сих пор нам удавалось возмущать систему и точно измерять выход», — говорит Дэниел Кронауэр. «В долгосрочной перспективе идея состоит в том, чтобы перепроектировать систему, чтобы изучить ее внутреннюю работу более подробно».
Исследование было опубликовано в PNAS.