@ 2022.07.25 , 13:23

蚂蚁的群体决策和神经网络相似

一项新的研究表明,事实上,蚂蚁作为一个群体的行为类似于大脑中的神经元网络。

洛克菲勒的Daniel Kronauer和博士后助理研究员Asaf Gal开发了一种新的实验装置,可以细致分析蚁群的决策。据美国国家科学院院刊上的报道,他们发现,当蚁群因巢穴环境温度升高而被迫撤离时,群体决策取决于热量增幅和蚂蚁群落的大小。

研究结果表明,蚂蚁将感觉信息与其群体的参数结合起来,以实现群体反应——过程类似于产生决策的神经计算。

“我们开创了一种方法,将蚁群理解为一种类似认知的系统,输入感知,输出行为。”社会进化与行为实验室负责人 Kronauer 说,“这是真正理解昆虫社会如何参与集体计算的第一步。”

新范式

在最基本的层面上,决策可以归结为一系列旨在最大化收益和最小化成本的计算。例如,在一种称为感觉反应阈值的常见决策类型中,动物必须检测感觉输入,环境温度高于某个阈值,才会选择离开栖息地。

Kronauer和Gal想知道这种类型的信息处理如何发生在集体层面上。他们开发了一个系统,该系统可以通过控制温度升高精确地扰乱蚁群。为了追踪个体蚂蚁和整个蚁群的行为反应,他们用不同颜色的点标记每只昆虫,并用跟踪摄像机跟踪它们的运动。

正如研究人员的预期,当温度达到34摄氏度左右时,有36名工蚁和18只幼虫的固定规模的蚁群撤出了它们的巢穴。Kronauer 说,这一发现具有直观的解释,因为“如果你感到不舒服,你就会离开。”

然而,研究人员惊讶地发现蚂蚁不仅仅对温度本身做出反应。当他们将群体的规模从数十增加到200时,触发撤离决定所需的温度增加了。例如,200成员的巢穴一直坚持到飙升至36度以上。 “似乎阈值不是固定的。相反,它是一种随群体规模而变化的属性。”Kronauer说。

个体蚂蚁不知道它们群体的大小,那么规模如何作用于个体的行为?研究人员怀疑与信息素有关。当有更多蚂蚁成员时,信息素会扩大影响。他们使用数学模型来证明这种机制确实是合理的。但他们不知道为什么更大的殖民地需要更高的温度阈值。比较直接的观点是,规模越大,搬迁任务就越繁重,行动成本就越高,从而推高了临界温度。

在未来的研究中,Kronauer 和 Gal 希望通过干扰更多参数并观察昆虫的反应来完善他们关于蚁群决策过程的理论模型。例如,它们可以篡改蚂蚁围场中的信息素水平,或者创造出具有温度敏感度的基因工程蚂蚁。

“到目前为止,我们能够做的是扰乱系统并精确测量输出。”Kronauer 说,“从长远来看,这个想法是对系统进行逆向工程,以越来越详细地推断其内部运作机制。”

https://phys.org/news/2022-07-ant-colonies-neural-networks-decisions.html


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