魚群能夠完成復雜、協(xié)調(diào)的動作，而不會相互碰撞。它們齊頭并進，但不會跟隨領頭魚。為了嘗試理解集體動物行為的復雜性，來自東北大學的研究人員開發(fā)了一種基于視覺線索模擬魚類群體運動的模型。該模型結合了魚類關注附近快速移動的魚類的傾向，揭示了動態(tài)魚類群居背后的機制。

“魚的視角很廣，可以發(fā)現(xiàn)魚群中的許多其他魚，”Susumu Ito 解釋道，“然而，最近的一項實驗發(fā)現(xiàn)，每條魚都會從幾個目標中選擇一條魚并追蹤其運動。這是選擇性決策的一個絕佳例子。”

關注魚群中的每一條魚需要處理大量的信息。就像我們只關注一頁文本中的單詞一樣，魚可以關注決定其下一步行動的最突出的目標。雖然直接游在前面的魚似乎是最好的選擇，但實際上，稍微偏向側面的魚往往會引起注意。

伊藤和他的團隊構建了一個將視覺注意力考慮在內(nèi)的模型，以闡明選擇性視覺互動在一大群魚中的作用。它結合了視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的特點，這些細胞優(yōu)先向更近、移動更快的目標發(fā)射信號。然后，視覺注意力被引導到最強信號的方向。只有處于視覺注意力聚光燈下的魚才能影響單個魚的運動。

研究團隊利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當一條魚跟隨三個連續(xù)游動的目標時，它往往會被左側或右側的目標吸引，因為它們的表觀尺寸較大。從后面直接看，一條面朝前方的細長魚看起來比一條露出較長輪廓的魚小得多。這些結果復制了之前實驗中看到的選擇性跟蹤運動。

此外，該模型還再現(xiàn)了魚群的各種集體形態(tài)：旋轉(zhuǎn)渦流、直線、隨機和轉(zhuǎn)彎。在轉(zhuǎn)彎形態(tài)中，魚反復在直線和旋轉(zhuǎn)運動之間交替，從而使魚群動態(tài)地重塑自身。

“在蝗蟲和蒼蠅身上也觀察到了選擇性追蹤行為”，伊藤補充道。“我們希望將來能將該模型擴展到各種生物的群體運動。該模型的三維版本也許能夠解釋被稱為餌球的巨大魚群的形成。”

該研究的詳細信息于 2024 年 7 月 23 日發(fā)表在PNAS Nexus雜志上。