Esta interacción por parejas da lugar a un comportamiento altamente dinámico en los grupos
Durante siglos, los científicos se han sentido fascinados por los extraordinarios movimientos coordinados de las bandadas de aves, los enjambres de insectos y los cardúmenes de peces. Los investigadores han estudiado estos fenómenos naturales para comprender las reglas de interacción entre individuos que pueden generar comportamientos grupales complejos.
Un grupo de físicos y neurobiólogos de la Universidad de California en San Diego ha estado estudiando bancos de pequeños peces de cristal (Danionella cerebrum) para comprender cómo los procesos mentales interactivos de los peces individuales producen decisiones a nivel de grupo.
Su nuevo artículo científico explora estas cuestiones y proporciona una nueva comprensión de cómo los peces individuales utilizan su percepción de los movimientos de sus vecinos para imitar esas acciones, lo que da lugar a un comportamiento de formación de cardúmenes en grupos.
La investigación fue dirigida por Palka Puri, recién graduada del programa de doctorado en física de la UC San Diego, junto con el profesor asociado Johnatan Aljadeff y el profesor asistente Matthew Lovett-Barron, ambos miembros del cuerpo docente de la Facultad de Ciencias Biológicas de la UC San Diego.
El trabajo de Puri ofrece una detallada descripción, paso a paso, del comportamiento de los cardúmenes de peces de cristal en sus distintas etapas de desarrollo. Gracias al modelo computacional desarrollado e investigado en el artículo, los científicos pueden interpretar ahora las acciones de los peces individuales y predecir la dinámica de la formación y disolución de los cardúmenes. Los hallazgos también abren la puerta a la comprensión de cómo el movimiento colectivo —un comportamiento social complejo— surge del procesamiento sensorial y motor en el cerebro de cada pez.
El modelo computacional descrito en este nuevo artículo supera limitaciones anteriores en el estudio de colectivos de animales. Si bien los físicos han investigado durante mucho tiempo el comportamiento colectivo con modelos de materia activa, ha sido un desafío conectar estos modelos con los patrones de movimiento macroscópico de grupos de animales en la naturaleza.
Imagen derecha: Reglas de interacción social: En investigaciones "clásicas" previamente aceptadas, los científicos predijeron que los peces se alinean con la dirección promedio de los peces de su vecindario (naranja, izquierda). Puri et al. informan que, en cambio, los peces cristal imitan a un solo vecino a la vez (azul, derecha). Crédito: Universidad de California - San Diego
Imitando a un vecino a la vez
Al examinar los movimientos de peces de distintos tamaños de grupo, investigadores de la UC San Diego descubrieron que los peces individuales "copian" la dirección del movimiento de un vecino cercano elegido al azar.
Este modelo puede explicar cómo surge la formación de cardúmenes durante el desarrollo, como ya demostraron los autores. Esta interacción por parejas da lugar a un comportamiento altamente dinámico en los grupos, lo cual difiere fundamentalmente de las predicciones de un modelo clásico, en el que los peces se alinean con la dirección promedio de sus vecinos.
Posteriormente, los autores fueron más allá y comprobaron si sus modelos podían predecir el comportamiento de peces de cristal reales estudiando sus interacciones con "peces virtuales" que nadaban en un entorno de realidad virtual. Cuando programaron a los peces virtuales para que cambiaran de dirección, los peces de cristal reales se comportaron de acuerdo con las predicciones del modelo de copia por parejas.
Los autores también identificaron momentos específicos en los que los peces implementan las interacciones definidas por el modelo. El final del turno de un pez abre una "ventana de oportunidad" para que sus vecinos se alineen con él. Los investigadores descubrieron que los peces de cristal maduros generan turnos de copia con rápidos tiempos de reacción, lo que permite conocer el constante toma y daca de las interacciones sociales.
Estos avances permitirán realizar investigaciones más profundas sobre los mecanismos del movimiento grupal, donde Aljadeff y Lovett-Barron buscan comprender la neurobiología de la imitación social en los cardúmenes.
Imagen derecha: Momentos precisos para la imitación por parejas en cardúmenes: El movimiento de los peces se segmenta en ráfagas alternas (aceleración, giro) y deslizamientos (desaceleración, movimiento lineal). La coordinación entre las ráfagas y los deslizamientos de los peces vecinos proporciona información sobre el momento y la "intención" de cada giro. Crédito: Universidad de California - San Diego
Una ventana al cerebro
"La identificación de estas interacciones sociales con una sincronización precisa, junto con las mejoras en las tecnologías de neuroimagen cerebral, permitirá comprender mejor cómo el procesamiento en el cerebro de los individuos sustenta el comportamiento colectivo", afirmó Aljadeff, miembro del profesorado del Departamento de Neurobiología.
"Los hallazgos de este artículo abren nuevas y fascinantes oportunidades para comprender cómo los cerebros de estos peces se prestan atención entre sí y copian las acciones de los demás", dijo Lovett-Barron, también del Departamento de Neurobiología.
"Cada pez percibe y responde a las acciones de su compañero social en momentos específicos, realizando un cálculo mental concreto. Dado que podemos registrar la actividad cerebral de estos peces Danionella transparentes, podemos empezar a descubrir cómo logran esto sus diminutos cerebros. Esperamos comprender, en última instancia, cómo surgen comportamientos colectivos complejos, como la formación de cardúmenes, a partir de la interacción entre los cerebros de muchos animales".
Los hallazgos se han publicado en Physical Review Letters: Collective Motion in Danionella Emerges from Discrete Copying Interactions
