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Fischschwärme funktionieren ähnlich wie das Gehirn

Die Hypothese, dass das größte 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 Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in einer Studie an einem riesigen Fischschwarm nachgewiesen
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Schwefelmollys schwimmen im Schwarm und verhalten sich dabei
ähnlich wie ein Gehirn, das auf äußere Reize reagiert.
Foto: Juliane Lukas

Was haben das Gehirn und ein Fischschwarm gemeinsam? Sie sind beide zu einer effizienten kollektiven Informationsverarbeitung fähig, obwohl jede ihrer einzelnen Einheiten nur Zugang zu lokalen Informationen 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 Tierschwärmen gelingt, die Vielzahl an Einzelinformationen aus verschiedenen Quellen optimal zusammenzuführen, ist wenig bekannt. Es gibt die Hypothese, dass das größte Leistungspotenzial des Gehirns an der Grenze zwischen Ordnung und Chaos liegt, im Zustand der sogenannten Kritikalität. Forschende des Exzellenzclusters „Science of Intelligence" der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), der Technischen Universität Berlin (TU) und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) konnten diese Hypothese nun an einem riesigen Fischschwarm nachweisen. Die Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht.

„Es geht bei Schwarmverhalten ja darum, dass sich Informationen lawinenartig ausbreiten. In diesem Zustand reagieren die Individuen maximal schnell auf externe Reize mit einer maximal effektiven Informationsweitergabe. Wir konnten an großen Fischschwärmen zeigen, dass die Gesetzmäßigkeit der Kritikalität, die man schon für neuronale Netzwerke nachweisen konnte, diesen Zustand beschreibt“, erläutert Studienleiter Pawel Romanczuk, Professor am Institut für Biologie der HU und Forscher im Exzellenzcluster.

Kritikalität: 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 Informationen in Form von Spannungsimpulsen weiter. Nach einer These der Neurobiologie, der so genannten „Kritikalität 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 Zuständen befindet, nämlich Ordnung und Chaos – wobei Ordnung bedeutet, dass die Neuronen hochsynchron aktiv sind, wie in einem neuronaler Gleitschritt, und Chaos bedeutet, dass die Zellen unabhängig voneinander Impulse aussenden. Im Zwischenzustand, der Kritikalität, ist das Gehirn maximal erregbar und schon kleine Reize bringen plötzlich eine Vielzahl von Neuronen zum Feuern, Informationen breiten sich lawinenartig aus und können besonders leicht übertragen werden, auch in weit voneinander entfernte Hirnareale.

La-Ola-Welle für die höchstmögliche Alarmbereitschaft

Schwefelmollys sind Fische die in Schwefelquellen in Mexiko leben. Sie schwimmen zu Hunderttausenden im Schwarm und zeigen dabei ein typisches und ungewöhnliches 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 zunächst, um angreifende Vögel erfolgreich zu verwirren. Dieses Verhalten könnte aber auch eine andere Funktion haben: Es könnte den Schwarm in einen Zustand optimaler Alarmbereitschaft versetzen – in einer Weise, die dem oben beschriebenen Zustand der Kritikalität des Gehirns sehr ähnlich ist. Diese Wachsamkeit ist notwendig, weil die Tiere einem hohen Fraßdruck durch Vögel ausgesetzt sind – wer also nicht wachsam genug ist, wird gefressen.

Die Fische machen nämlich auch eine Wellenbewegung, wenn gar keine Vögel angreifen. „Wir wollten also herausfinden, ob diese Wellenbewegung eine Analogie zur Informationsverarbeitung des Gehirns sein könnte: wenige Oberflächenwellen, wenn keine Vögel angreifen; stärkere und mehr Wellen, wenn Vögel angreifen. Damit würde sich auch der Schwarm bei der kollektiven Tauchbewegung im Stadium der Kritikalität bewegen – mit der höchstmöglichen Alarmbereitschaft“, erläutert 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 räumlich-zeitliche kollektive Dynamik großer Schwärme von Schwefelmollys tatsächlich einem erregbaren System im Stadium der Kritikalität entspricht – ähnlich eines Gehirns.

Lesen Sie die vollständige Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie 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 perturbationsNature Physics (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01916-1

Link zur Studie

Weitere Informationen

Zur Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

Kontakt

Luis Gomez
Science of Intelligence Excellence Cluster (SCIoI)

Tel.: +49 30 2093 98438
luis.gomez@hu-berlin.de

Pawel Romanczuk
Science of Intelligence Excellence Cluster (SCIoI)

Tel.: +49 30 2093 6780
pawel.romanczuk@hu-berlin.de

Jens Krause
Science of Intelligence Excellence Cluster (SCIoI)
und Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

jens.krause@igb-berlin.de