Расшифровка скрытых взаимодействий в биологических сетях разного размера

Коллективное поведение — результат динамических локальных взаимодействий между отдельными членами группы. Хотя действия коллектива легко наблюдать, сами взаимодействия остаются скрытыми и традиционно их было сложно анализировать. Исследователи из Университета Цукубы применили теорию интегрированной информации, чтобы понять, как размер группы рыб влияет на взаимодействия между её отдельными членами.

Теория интегрированной информации — это сложный вычислительный инструмент, изначально разработанный для измерения степени сознания по активности мозга. Он позволяет изучать группы элементов в системе (например, в биологической сети), где каждый элемент может влиять на другой через принцип причинно-следственной связи. В этом контексте «интегрированная» означает, что информация, которую даёт биологическая сеть, более существенна и информативна, чем информация, полученная от отдельных её элементов. Измеряя интегрированную информацию, можно количественно оценить сложные системы, такие как сознание, по эмпирическим данным, включая электроэнцефалографию (ЭЭГ) или функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ). В науках о поведении такой системой может быть коллектив животных, где действия отдельных особей дают данные для понимания группы.

«Коллективные поведения, такие как роение, косяки рыб и стаи птиц, функционируют так плавно и, казалось бы, без усилий, — говорит ведущий автор исследования профессор Такаюки Ниидзато. — Ключевой вопрос в том, как эти коллективы функционируют так эффективно и слаженно. Цель нашего исследования — углубить понимание динамики коллективного поведения, применив теорию интегрированной информации к группам из двух-пяти рыб, чтобы понять внутренние различия между этими группами».

Для достижения цели учёные изучали группы Plecoglossus altivelis, также известных как аю (сладкая рыба). Они выбрали молодых особей, так как те демонстрируют типичное стайное поведение, в то время как взрослые рыбы склонны к территориальному поведению. Исследователи случайным образом отбирали рыб и помещали их вместе без предварительной тренировки, чтобы обеспечить формирование стаи заданного размера.

Анализируя траектории рыб с помощью теории интегрированной информации и учитывая в анализе поле зрения, расстояние и скорость поворота каждого члена группы, исследователи обнаружили разрыв в поведении между группами из трёх и четырёх рыб. Интересно, что это означает существенное изменение в поведении группы при увеличении числа рыб с трёх до четырёх — наблюдение, которое ранее не делалось.

«Наши результаты подчёркивают динамику коллективного поведения при разном размере группы, — говорит профессор Ниидзато. — В частности, с увеличением размера коллектива возникает лидерство, которое определяет целостность группы. Наше исследование выявляет сложность групповой динамики и может помочь улучшить понимание более сложных паттернов коллективного поведения».