“Біфуркація” вибору

З допомогою віртуальної реальності міжнародна команда під керівництвом науковців з Констанцького університету та Інституту поведінкової біології імені Макса Планка виявила алгоритм, за яким тварини здійснюють вибір пересуваючись. Дослідження засвідчує, що тварини опрацьовують складність середовища, зводячи світ до послідовних рішень між всього лише вдома варіантами – так званими бінарними опозиціями. Така стратегія приводить до ефективного прийняття рішення. І при цьому немає значення, скільки опцій було спочатку. Дослідження надає перший доказ існування спільного алгоритму, що керує процесом прийняття рішень у різних видів. Воно також доводить, що первинно геометричний принцип може пояснити, як і чому тварини обирають певний спосіб пересування.

Комп’ютерне моделювання засвідчує, що одні й ті ж геометричні принципи керують прийняттям просторових рішень у тварин: від комахи до риб. Зображення: MPI f. Verhaltensbiologie/ Vivek Sridhar.  

Для більшості тварин важливі у житті рішення стосуються вибору. Бігаючи, плаваючи чи літаючи, тварини мусять вирішити, де вони їстимуть, ховатимуться й з ким співпрацюватимуть. Завдяки новим досягненням в нейробіології останніх десятиліть, серед яких одне відзначили Нобелівською премією 2014 року, сьогодні ми краще розуміємо, як просторові варіанти поведінки відображаються в мозку тварини.

Міжнародна команда вчених застосувала ці знання, аби зрозуміти, як тварини обирають серед кількох варіантів, пересуваючись у просторі. “Нейронна репрезентація варіантів дії неминуче змінюється, коли тварини починають пересуватися, – сказав Вівек Гарі Срідгар (Vivek Hari Sridhar), провідний автор дослідження, постдок в Інституті поведінкової біології імені Макса Планка в Констанці. – Зважаючи на цей факт, здійснена розвідка кидає світло на нові, основоположні геометричні принципи, що досі залишалися прихованими”.

До розвідки залучили вчених зі сфер біології, інженерії та фізики з Німеччини, Ізраїлю (з Наукового інституту імені Вейцмана) та з Угорщини (Будапештського університету). Міждисциплінарна команда змогла врахувати неврологічні, фізичні та поведінкові аспекти в діях тварин і створити комп’ютерну модель прийняття рішення в їхньому мозку.

В моделі врахували, як мозок опрацьовує варіанти просторових рішень – у цьому випадку напряму до цілі, – щоб зрозуміти, як під час руху вперед тварини приймають просторові рішення.

“Комплексний аналіз чинників руху й мозкової динаміки став вирішальним, – сказав Срідгар. – Так ми отримали новий погляд на те, як мозок приймає рішення”.

Розроблена модель передбачила: складні рішення з багатьма варіантами дії мозок розкладає на низку простіших рішень, кожне з них містить дві опції, поступово відкидає їх, аж поки не залишається одна – яку в результаті й обирає тварина. Цей процес науковці назвали “біфуркацією”, тобто розгалуженням.  

В моделі таке розгалуження призводило до того, що симульовані тварини здійснювали низку раптових змін напряму свого руху, щоразу ці зміни були пов’язані з відкиданням одної з опцій. Кожна зміна руху була результатом раптових змін в нейронній динаміці, що встановлювала кореляцію між геометричною поведінкою тварини і тими варіантами, котрі ще залишалися.

Алгоритм виявися настільки певним, що науковці спрогнозували: цей процес “роздвоєння” не лише призводить до конкретних рішень, а й часом до “універсальних”. Створюючи тваринам в симуляції численні траєкторії, що перетиналися, вчені виявили структуру розгалуження, котра, згідно з їхніми очікуваннями, проявляється й при переміщенні справжніх тварин.

Аби перевірити свої теоретичні передбачення на справжніх тваринах, науковці використали технологію з імерсивною віртуальною реальністю для поведінкового експерименту. Піддослідними стали мухи, африканська сарана та риби даніо-реріо.

Технологія надала вченим змогу численними повторюваними експериментами протестувати тварин у відкритому, фотореалістичному середовищі й водночас детально виміряти їхній рух під час прийняття рішень.

Результат: у всіх видів, що підлягали дослідженню, з певністю підтвердили “біфуркацію” при виборі траєкторій, котрі перепліталися, – як і передбачало моделювання.

“Часто припускають, що тварини спочатку вирішують, куди їм йти, а потім прямують до своєї цілі, – сказав Срідгар. – Але наше дослідження засвідчило, що взаємодія руху та нейронних уявлень про варіанти дії суттєво впливає на вид і спосіб прийняття рішення. Цікаво, що це призводить до дуже ефективного процесу прийняття рішень у складних і різноманітних екологічних контекстах”.

Науковці також з’ясували, що той самий геометричний принцип може застосовуватися й до просторових рішень тваринних груп, зокрема мандрівних стад або пташиних зграй .

Ян Кузін (Iain Couzin), один з авторів дослідження, директор Інституту поведінкової біології імені Макса Планка, зауважив: “Дивовижно, що такий елегантний стиль властивий процесу прийняття рішень серед численних біологічних організмів: від нейронної динаміки до індивідуальних рішень, а далі – й до колективної поведінки. Ці знання змінюють наше розуміння того, як тварини сприймають складний і багатошаровий світ”.

Entscheidungen zwischen zwei Optionen 

mpg.de 8/12/2021

Зреферувала С.К.