鱼群与大脑的相似性：在混沌与秩序边缘的临界态高效运作

导语

动物群体可以进行高度协调的集体行为，通过促进社会信息交换和保护个体免受捕食者侵害，为参与其中的个体带来利益。这种机制与临界态的大脑非常类似。近日发表于 Nature Physics 的最新研究表明，在大型动物群体中，临界性可能是分布式信息处理的原则。

关键词：自组织临界，混沌边缘，群体行为，多主体建模

Nadja Neumann | 作者

汪显意 | 译者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Fish shoals resemble a stochastic excitable system driven by environmental perturbations

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01916-1

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获得局部信息。

大脑中860亿个神经元的刺激构成了信息处理的基础；在鱼群中，每个个体都决定如何移动和与邻居互动。然而，大脑或鱼群这样的生物系统如何将来自不同位置的大量独立信息最佳地整合在一起？我们对此所知甚少。

有一种假设认为，大脑在有序和混沌之间的边界，即所谓的临界状态下表现最佳。最近，来自洪堡大学、柏林工业大学和莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所的专注于“智能科学”的研究人员在一个大鱼群上证明了这一假设。这项研究发表在 Nature Physics 杂志上。

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。这项研究希望调查，在神经元网络中得到证明的临界性规律是否能描述这种状态。

1. 临界性：

大脑在有序和混沌之间的临界处高效运作

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名为“临界大脑假说”的论文，我们的大脑在处理信息时如此高效的原因，是大脑永远处于有序和混沌这两种动力学状态之间的临界点，其中有序意味着神经元以高度同步的方式活跃，而混沌意味着细胞彼此独立地发射脉冲。

根据“临界大脑假说”，当神经连接既不太弱也不太强，也就是处于有序和混沌之间的中间状态，即临界状态时，大脑内的信息传输效果最佳。在这种状态下，大脑处于最大程度的兴奋状态，即使是很小的刺激也会突然引起大量神经元的兴奋，信息会像雪崩一样传播，并且很容易被传输，即使是到大脑中远离起点的区域。

图1. 表面波活动的实证数据分析。

2. 处于临界状态的鱼群有最大警觉性

野花鳉（sulfur mollies）是一种生活在墨西哥硫化泉中的小鱼，成千上万的野花鳉成群结队地游动，表现出一种典型而不寻常的行为：它们在波浪中上下潜水；从鸟的角度看，这就像一个巨大的墨西哥波浪，不断重复。首先，正如该团队在之前的研究中所展示的那样，这些小鱼利用这种反复潜入水中并形成波浪的行为成功地迷惑了攻击它们的鸟类。

但这种行为也可能有其他的功能：使鱼群处于最佳警戒状态——在某种程度上非常类似于上文所描述的大脑临界状态。这种迅速反应的警觉是必要的，因为它们面临着被捕食的高压。

然而，当没有鸟类攻击时，鱼也会进行波浪运动。那么，这一阶段的波动是否可以类比大脑神经元的步调一致呢？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。如果是这样，观察到的鸟群集体潜水确实会发生在临界状态，具有最高的警觉性。

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，研究结果表明，大群野花鳉的时空集体动力学，实际上在临界状态下模仿了一个可激发的系统——在某种程度上类似于大脑。

图2. 表面活动的计算模型。

3. 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，野花鳉可以时刻警惕环境中的扰动，并传递有关信号强度的信息，即使这些信息的距离很远。

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扰动的反应，并得出结论，事实上，鱼群能够有效地处理外部刺激的信息，比如进攻的鸟类，这一点对它们是有利的。

在野花鳉的例子中，刺激强度与危险相关，因为狩猎的鸟类经常连它们的身体一起进入水中，产生高强度的视觉、听觉和水动力学干扰，而飞在水面上的鸟类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。这与大脑的工作方式相似。

然而，鱼群和神经元系统之间也有重要区别。在神经元系统中，神经元之间相互作用网络结构的变化比鱼群中的动力学行为慢得多。

动力学的群体结构和个体的行为参数，例如个体速度或对同质性的注意，对集体行为有很大影响，并可以通过调节个体行为产生自组织临界的替代机制。不过许多问题仍然悬而未决，还需要继续调查。

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群体系统提供启发，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“群体心智”（collective mind）提供线索。

本文翻译自

https://phys.org/news/2023-02-fish-schools-similar-manner-brain.html

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