19.01.2012

Принимая коллективное решение, пчелы-разведчики убеждают оппонентов замолчать

Механизмы принятия решений нейронными сетями мозга и коллективами общественных животных во многом сходны. В обоих случаях происходит нечто вроде «голосования», исход которого зависит от баланса сил между группами возбудимых объектов (нейронов или особей), получающих разную информацию из окружающей среды и голосующих за одно из нескольких возможных решений. Американские и британские биологи обнаружили, что ключевая особенность нейронных сетей, способных к принятию решений, — взаимное торможение — характерна и для пчелиного роя, выбирающего место для поселения. Пчелы-разведчики не только танцуют, приглашая рой лететь в облюбованное ими место, но и при помощи специальных сигналов «убеждают» оппонентов (разведчиков, агитирующих за другое решение) прекратить свой танец. Взаимное торможение повышает надежность системы принятия решений, помогая рою избежать ситуации буриданова осла.

Механизмы принятия коллективных решений в последние годы изучаются весьма активно (см. ссылки внизу). В ходе этих исследований выявилось значительное сходство принципов принятия решений нейронными сетями мозга и коллективами общественных организмов. В обоих случаях нередко используется «демократическая» процедура, напоминающая голосование. Разные группы нейронов или особей, собирая и интегрируя разнородную и противоречивую информацию из окружающей среды, «голосуют» за одно из нескольких возможных решений. Когда степень активации (возбуждения) одной из групп превышает определенный пороговый уровень, система делает свой выбор и начинает действовать в соответствии с принятым решением. Этот принцип используется даже в таких сложных ситуациях, как решение моральных дилемм.

Характерной особенностью нейронных сетей, способных к принятию решений, является взаимное торможение. Группы нейронов, «голосующие» за взаимно несовместимые варианты действий, посылают друг другу тормозящие сигналы (простейший пример: нейроны, управляющие мышцами-разгибателями конечности, при возбуждении посылают тормозящие сигналы нейронам, управляющим мышцами-сгибателями этой конечности).

Используется ли взаимное торможение социальными животными при принятии коллективных решений? Американские и британские биологи решили проверить это на пчелах, у которых жизнь каждой новой колонии начинается с принятия непростого коллективного решения.

Пчелиный рой, вылетающий из родного гнезда для основания новой семьи, состоит из нескольких тысяч особей. Из их числа несколько сотен самых старых и опытных пчел берут на себя роль разведчиц. Рой повисает («прививается») на каком-нибудь сучке неподалеку от родного улья и ждет, пока разведчицы найдут место для нового гнезда.

Разведчица, обнаружившая подходящее дупло или незанятый улей, возвращается к рою и сообщает товарищам о местоположении своей находки. Она делает это при помощи того же самого «виляющего» танца (см. waggle dance), который во время сбора нектара и пыльцы используется для информирования сородичей о местах с богатым взятком. Это может побудить других разведчиц посетить указанное место, и если они сочтут его подходящим, то тоже начнут танцевать, агитируя остальных. Чтобы рой принял коллективное решение и полетел обустраивать новое жилье, общая интенсивность танцев «за» одно из возможных мест для поселения должна достичь некоего критического порога. Момент, когда решение принято, можно отследить по особым высокочастотным сигналам («писку», piping signals), которые начинают издаваться разведчицами. Смысл этих сигналов — «место выбрано, разогреваемся и летим». Если подходящих мест найдено несколько, и за каждое из них «выступает» своя группа разведчиц, спорщики должны каким-то образом прийти к консенсусу — иначе процедура принятия решения может чрезмерно затянуться, и рой окажется в положении буриданова осла. Разделяться рою нельзя, потому что матка в нем, как правило, только одна.

Авторы предположили, что пчелы могут использовать для достижения консенсуса механизм взаимного торможения, подобно тому, как это происходит в нейронных сетях мозга. Ранее было показано, что пчелы-разведчицы используют особый «стоп-сигнал», чтобы убедить своих коллег прекратить танцы, призывающие сборщиц нектара и пыльцы лететь туда, где их может подстерегать опасность. Пчела, подвергшаяся атаке пчел-конкурентов, по возвращении в улей начинает при помощи этих сигналов «убеждать» других разведчиц прекратить танцы, направляющие рабочих в небезопасное место (см.: Nieh, 2010. A Negative Feedback Signal That Is Triggered by Peril Curbs Honey Bee Recruitment, PDF, 858 Кб). Стоп-сигнал состоит в том, что пчела тыкается головой в танцующую разведчицу и очень быстро (с частотой около 350 Гц) вибрирует крылышками в течение 150–200 мс, издавая характерное резкое жужжание. Танцорша, получившая стоп-сигнал, обычно не прекращает танец немедленно, но ожидаемая продолжительность танца снижается по мере роста числа полученных стоп-сигналов.

Логично предположить, что при выборе места для поселения пчелы могут использовать стоп-сигналы для взаимного торможения. Наблюдения за пятью роями при помощи видеокамер и чувствительных микрофонов показали, что разведчицы, выбирающие место для основания колонии, действительно пользуются стоп-сигналами в общении друг с другом. Как это происходит, можно увидеть в прилагающемся к обсуждаемой статье видеофильме: там показано, как танцующая разведчица, помеченная голубой и желтой краской, получает три стоп-сигнала от разведчицы с розовой меткой.

Статистическая обработка результатов наблюдений подтвердила, что стоп-сигналы и в этом случае, как и при сборе нектара и пыльцы, вполне эффективны: вероятность досрочного прекращения танца достоверно растет по мере роста числа полученных стоп-сигналов.

Теперь нужно было выяснить, действительно ли стоп-сигналы используются конкурирующими партиями разведчиц для того, чтобы угомонить оппонентов (и, соответственно, повысить шансы своей точки зрения на победу в «голосовании»). Для этого авторы выпускали пчелиный рой на изолированном островке, где не было подходящих естественных убежищ, но было два одинаковых искусственных улья. Разведчиц, прилетавших к каждому из ульев, метили цветными метками. Поведение разведчиц на поверхности роя, как и в предыдущих опытах, записывали на видео.

Оказалось, что разведчицы по-разному используют стоп-сигналы до и после принятия роем коллективного решения. В фазе «поиска и выбора», пока общее решение еще не принято, разведчицы в большинстве случаев подают стоп-сигналы именно своим оппонентам, то есть пчелам, призывающим лететь к другому улью. Это подтверждает гипотезу о взаимном торможении. После принятия коллективного решения, в фазе «разогрева перед полетом к выбранному улью», стоп-сигналы подаются уже безвыборочно (и очень активно) всем пчелам, которые еще продолжают танцевать. Смысл этих действий, вероятно, в том, чтобы все разведчицы прекратили разведывательные полеты, были на месте и не потерялись, когда рой наконец снимется с места и полетит к выбранному улью.

В заключительной части статьи авторы показывают при помощи математического моделирования, что взаимное торможение радикально снижает вероятность того, что рой «зависнет» между двумя равноценными альтернативами и не сможет прийти ни к какому решению. Такое «зависание», то есть устойчивое равновесие сил между спорящими партиями разведчиков, в модели возникает, например, в том случае, если пчелы в ходе «дебатов» подают стоп-сигналы другим разведчицам безвыборочно или подают их слишком редко. Взаимное торможение обеспечивает быстрое достижение кворума в любой ситуации. Если альтернативы абсолютно равноценны (за каждый из двух ульев изначально голосует равное число разведчиц), то решение в итоге принимается случайным образом. Если же одна из партий хоть немного превосходит другую, она неизбежно побеждает.

Таким образом, работа показала, что сходство механизмов принятия решений общественными насекомыми и нейронными сетями мозга еще глубже, чем думали до сих пор. Их объединяет не только общий принцип «демократического голосования» конкурирующих партий, но и алгоритм взаимного торможения. По мнению авторов, удивительное сходство функциональной организации двух совершенно разных систем: мозга, сделанного из нейронов, и роя, сделанного из пчел, объясняется тем, что в ходе эволюции обе системы были оптимизированы отбором для надежного и эффективного принятия оптимальных решений.

Источник: Thomas D. Seeley, P. Kirk Visscher, Thomas Schlegel, Patrick M. Hogan, Nigel R. Franks, James A. R. Marshall. Stop Signals Provide Cross Inhibition in Collective Decision-Making by Honeybee Swarms // Science. 2012. V. 335. P. 108–111.

Источники:

1. Элементы