Fischschw?rme funktionieren ?hnlich wie das Gehirn

Die Hypothese, dass das gr??te Leistungspotenzial des Gehirns an der Grenze zwischen Ordnung und Chaos liegt, haben Forschende des Exzellenzclusters ?Science of Intelligence" der HU, der TU und des Leibniz-Instituts für Gew?sser?kologie und Binnenfischerei (IGB) in einer Studie an einem riesigen Fischschwarm nachgewiesen

Schwefelmollys schwimmen im Schwarm und verhalten sich dabei
?hnlich wie ein Gehirn, das auf ?u?ere Reize reagiert.
Foto: Juliane Lukas

Was haben das Gehirn und ein Fischschwarm gemeinsam? Sie sind beide zu einer effizienten kollektiven Informationsverarbeitung f?hig, obwohl jede ihrer einzelnen Einheiten nur Zugang zu lokalen 金贝棋牌 hat. Im Gehirn sind es die Reize von 86 Milliarden Nervenzellen, die die Grundlage für die Informationsverarbeitung bilden, im Tierschwarm ist es das Verhalten jedes Individuums, sich zu bewegen und mit den Nachbarn zu interagieren.

Wie es jedoch biologischen Systemen wie dem Gehirn oder Tierschw?rmen gelingt, die Vielzahl an Einzelinformationen aus verschiedenen Quellen optimal zusammenzuführen, ist wenig bekannt. Es gibt die Hypothese, dass das gr??te Leistungspotenzial des Gehirns an der Grenze zwischen Ordnung und Chaos liegt, im Zustand der sogenannten Kritikalit?t. Forschende des Exzellenzclusters ?Science of Intelligence" der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU), der Technischen Universit?t Berlin (TU) und des Leibniz-Instituts für Gew?sser?kologie und Binnenfischerei (IGB) konnten diese Hypothese nun an einem riesigen Fischschwarm nachweisen. Die Studie wurde in Nature Physics ver?ffentlicht.

?Es geht bei Schwarmverhalten ja darum, dass sich 金贝棋牌 lawinenartig ausbreiten.?In diesem Zustand reagieren die Individuen maximal schnell auf externe Reize mit einer maximal effektiven Informationsweitergabe. Wir konnten an gro?en Fischschw?rmen zeigen, dass die?Gesetzm??igkeit der Kritikalit?t, die man schon für neuronale Netzwerke nachweisen konnte, diesen Zustand beschreibt“, erl?utert Studienleiter Pawel Romanczuk, Professor am Institut für Biologie der HU und Forscher im Exzellenzcluster.

Kritikalit?t: An der Schwelle von Ordnung zum Chaos arbeitet das Gehirn am effektivsten

Die Informationsverarbeitung im Gehirn basiert auf einem Netzwerk von rund 86 Milliarden Neuronen. Sie leiten 金贝棋牌 in Form von Spannungsimpulsen weiter. Nach einer These der Neurobiologie, der so genannten ?Kritikalit?t des Gehirns“ (the critical brain hypothesis) ist unser Gehirn deshalb so effizient in der Informationsverarbeitung, weil es sich permanent an einem kritischen Punkt zwischen zwei dynamischen Zust?nden befindet, n?mlich Ordnung und Chaos – wobei Ordnung bedeutet, dass die Neuronen hochsynchron aktiv sind, wie in einem neuronaler Gleitschritt, und Chaos bedeutet, dass die Zellen unabh?ngig voneinander Impulse aussenden. Im Zwischenzustand, der Kritikalit?t, ist das Gehirn maximal erregbar und schon kleine Reize bringen pl?tzlich eine Vielzahl von Neuronen zum Feuern, 金贝棋牌 breiten sich lawinenartig aus und k?nnen besonders leicht übertragen werden, auch in weit voneinander entfernte Hirnareale.

La-Ola-Welle für die h?chstm?gliche Alarmbereitschaft

Schwefelmollys sind Fische die in Schwefelquellen in Mexiko leben. Sie schwimmen zu Hunderttausenden im Schwarm und zeigen dabei ein typisches und ungew?hnliches Verhalten: Sie tauchen in Wellen auf und ab – aus der Vogelperspektive wirkt es wie eine riesige La-Ola-Welle, die sich mannigfaltig wiederholt.? Wie das Forschungsteam bereits in einer früheren Studie gezeigt hat, nutzen die kleinen Fische das Wellenverhalten zun?chst, um angreifende V?gel erfolgreich zu verwirren. Dieses Verhalten k?nnte aber auch eine andere Funktion haben: Es k?nnte den Schwarm in einen Zustand optimaler Alarmbereitschaft versetzen – in einer Weise, die dem oben beschriebenen?Zustand der Kritikalit?t?des Gehirns sehr ?hnlich ist. Diese Wachsamkeit ist notwendig, weil die Tiere einem hohen Fra?druck durch V?gel ausgesetzt sind – wer also nicht wachsam genug ist, wird gefressen.

Die Fische machen n?mlich?auch eine Wellenbewegung, wenn gar keine V?gel angreifen. ?Wir wollten also herausfinden, ob diese Wellenbewegung eine Analogie zur Informationsverarbeitung des?Gehirns sein k?nnte: wenige Oberfl?chenwellen, wenn keine V?gel angreifen; st?rkere und?mehr Wellen, wenn V?gel angreifen. Damit würde sich auch der Schwarm bei der kollektiven Tauchbewegung im Stadium der Kritikalit?t bewegen – mit der h?chstm?glichen Alarmbereitschaft“, erl?utert Erstautor Luis Gómez-Nava, Forscher im Exzellenzcluster.?

Die Forschenden kombinierten empirische Daten aus Verhaltensstudien im Feld mit mathematischen Modellen und konnten so zeigen, dass die r?umlich-zeitliche kollektive Dynamik gro?er Schw?rme von Schwefelmollys tats?chlich einem erregbaren System im Stadium der Kritikalit?t entspricht – ?hnlich eines Gehirns.

Lesen Sie die?vollst?ndige?Pressemitteilung des?Leibniz-Instituts für Gew?sser?kologie und Binnenfischerei (IGB).

Publikation

Gómez-Nava, L., Lange, R.T., Klamser, P.P.?et al.?Fish shoals resemble a stochastic excitable system driven by environmental perturbations.?Nature Physics?(2023). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01916-1

Link zur Studie