Csoportos keresés – mit tanulhatunk a patkányoktól

Csoportos keresés – mit tanulhatunk a patkányoktól

Összpontosíts a saját feladatodra, de közben másokra is figyelj – ez a siker legfontosabb kulcsa. Legalábbis a patkányoknál, ha csoportosan keresnek – derül ki az ELTE, MTA-ELTE kutatócsoportok és a németországi Max Planck Intézet legfrissebb kutatásából, amely a Current Biology folyóiratban jelent meg.

A viselkedéskutatás talán egyik legklasszikusabb paradigmája a patkány a labirintusban, de egy nemzetközi kutatócsoport csavart egyet ezen a kísérleti elrendezésen, hogy a technológia és kutatás legújabb vívmányait vethesse be a csoportos keresési stratégiák vizsgálatában.

A Current Biology-ban, a biológia legfrissebb eredményeit bemutató folyóiratban megjelent kutatásukban a patkányokat nemcsak egyedül, hanem csoportokban is vizsgálták egy komplex labirintusban (videó itt). A rágcsálók kereső viselkedését automatizált videókövetéssel felmérő tanulmányból kiderül, hogy a patkányok egyszerű viselkedési szabályokat alkalmazva kiváló csoportos keresési teljesítményt érnek el.

„Kiderült, hogy egy célpont megtalálásában a csoportos teljesítmény felülmúlja az egyénit, még akkor is, ha a kommunikáció vagy információ megosztásának lehetősége erősen korlátozott. A patkánycsoportok által használt egyszerű keresési stratégiák feltárásával hozzájárulhatunk a kollektív kereső algoritmusok fejlesztéséhez,” mondja Nagy Máté, a tanulmány elsőszerzője, aki ezt a kutatást az ELTE Biológiai Fizika tanszékén, a németországi Max Planck Állatviselkedés-tani Intézet Kollektív Viselkedés Tanszékén és a Konstanz Egyetemen végezte.

A ‘patkány a labirintusban’ újragondolása

A kutatók évtizedek óta használják azt a klasszikus keresési feladatot, amelyben egyetlen patkánynak kell jutalmat keresnie egy összetett labirintusban. A feladat a tájékozódás, a memória és a tanulás mélyebb megértését segíti. A patkányok azonban társas állatok, a természetben összetett járatrendszerekben élnek. Ennek ellenére nagyon keveset tudunk arról, hogy csoportként hogyan fedezik fel a környezetüket. Magyar és német intézetek kutatói a klasszikus, magányos keresési feladatot a rágcsálók zárt labirintusban való csoportos keresési viselkedésének első kísérletes tanulmányává alakították.

„A patkányok sok kutatásban az ember modellszervezetei, ez alapján célravezetőnek látszott a patkánycsoport használata a csoportos problémamegoldás vizsgálatára. A kutatás feltárta a rágcsálók által alkalmazott alapvető mechanizmusokat és betekintést engedett azokba a szabályokba, amelyek fokozzák az egyének csoporttagként nyújtott keresési teljesítményét” mondja Vicsek Tamás, az ELTE professor emeritusa, a tanulmány utolsó szerzője, a csoportos viselkedés kutatási területének egyik alapítója, és a csoportos felfedezés tanulmányozásának ötletgazdája.

 

Egy társas keresési feladat

A kutatók arra keresték a választ, hogy az egyedek miként hoznak döntéseket egy közös céllal rendelkező csoportban. Például mennyit kell az egyedeknek önálló keresésre koncentrálni, szemben azzal, hogy odafigyelnek arra, amit mások csinálnak? És mennyire szükséges a csoporttagok közötti kommunikáció és koordináció?

A kutatók egy összetett labirintust terveztek és építettek, melynek 16 végpontja volt. A labirintus felépítése miatt a patkányok csak akkor látták a többieket, ha azok a közvetlen közelükben tartózkodtak. A végpontok közül csak egyben ihattak vizet. A keresési feladatban a patkányoknak lehetőségük volt egyedül és nyolctagú csoportokban is megkeresni a vízjutalmat. A kísérlet során többek között azt mérték, mennyi időre van szükségük az állatoknak a jutalom megtalálásához. A patkányok mozgását automatikus nyomkövető szoftver segítségével tanulmányozták, illetve egyedi pályáikat is meghatározták, ami lehetővé tette a keresés mechanizmusának megfejtését.

Az optimális egyensúly az egyed és a csoport között

„A csoportban kereső patkányok jobban teljesítettek, mint amikor egyedül voltak. Közelebbről vizsgálva a patkányok csomópontokban hozott döntéseit, azt találtuk, hogy a csoportokban lévők cselekedetei egyszerű szabályokra bonthatók le: járj ismeretlen utakon, de kövesd a többieket” – foglalja össze Kubinyi Enikő, az ELTE Etológia tanszék tudományos főmunkatársa, a tanulmány etológus társszerzője.

E szabályok általánosíthatóságának megerősítése érdekében a kutatók számítógépes modellezéseket végeztek nagyszámú szimulációval. „Megállapítottuk, hogy csoportként való keresés során az egyedek akkor teljesítettek a legjobban, ha megfelelő egyensúlyban volt az önálló felfedezés és mások követése. Mindkét szélsőség mások figyelmen kívül hagyása vagy mások túlzott követése rosszabb teljesítményt eredményezett a csoport egészére nézve, illetve hosszútávon egyedi szinten is. Érdekes módon néhány egyszerű paraméterrel jól leírható a döntéshozatal. Szimulációval sikerült bizonyítani, hogy ezen paraméterek figyelembevétele valóban elegendő ahhoz, hogy hatékony viselkedést eredményezzenek” –  mondja Horicsányi Attila, a cikk fizikus társszerzője, aki jelenleg a tehetséggondozásban kimagasló Városmajori Gimnázium tanára.

A kutatás jelentős felhasználási és alkalmazási lehetőségeket nyit meg. „Az itt bemutatott csoportos keresés kitűnő demonstrációja annak az általános, mégis sokszor elhanyagolt ténynek, hogy az élőlények viselkedése mennyire más, ha egyéni, illetve szociális kontextusban mérik. A legtriviálisabb példát a patkányokon végzett gyógyszerkísérletek adhatják, ahol a minél természetesebb, csoportos helyzetekben adott válasz (pl. szociális agresszió) mérése elengedhetetlen a valódi hatások és mellékhatások vizsgálatához” – mondja Vásárhelyi Gábor társszerző, az MTA-ELTE Statisztikus és Biológiai Fizika Kutatócsoport tudományos főmunkatársa.

 

A kutatók szerint az egyszerű döntéshozatali szabályok utat nyitnak a mesterséges rendszerek algoritmusainak tervezéséhez is. „Az általunk felfedezett szabályrendszer például hasznos lehet, ha önálló robotok egy csoportjának összetett, labirintusszerű környezetet kell felfedezniük egy elhagyatott bányában, ahol csak korlátozott kommunikáció lehetséges.” – mondja Nagy Máté, aki jelenleg az MTA-ELTE ’Lendület’ Csoportos Viselkedés kutatócsoport vezetője.

Tényszerű összefoglalás:

  • Az ELTE, az MTA-ELTE kutatócsoportok, a Konstanz Egyetem, valamint a Max Planck Állatviselkedés-tani Intézet (Németország) kutatóiból álló nemzetközi kutatócsoport új tanulmányukban feltárták azt a stratégiát, amelylehetővé teszi a patkánycsoportok számára, hogy felülmúlják az egyedek önálló teljesítményét a cél megkeresése során.
  • A klasszikus „patkány a labirintusban” paradigmát megújítva a kutatók azt tanulmányozták, hogyan keresnek a patkánycsoportok egy labirintusban – a patkány keresést vizsgáló korábbi kutatások önálló egyedekre összpontosítottak
  • A kutatók automatikus nyomkövetés segítségével tanulmányozták a patkányok mozgását, és azt találták, hogy csoportként való keresés során az egyedek akkor teljesítettek a legjobban, ha megfelelő egyensúlyban volt az önálló felfedezés és mások követése.
  • Eredeti publikáció: Cím: Synergistic benefits of group search in rats. Máté Nagy, Attila Horicsányi, Enikő Kubinyi, Iain D. Couzin, Gábor Vásárhelyi, Andrea Flack, Tamás Vicsek. Current Biology. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.08.079
  • A munkát Nagy Máté, a tanulmány elsőszerzője az ELTE-n és a MTA-ELTE kutatócsoportban, később a németországi Max Planck Állatviselkedés-tani Intézet Kollektív Viselkedés Tanszékén és a Konstanz Egyetemen végezte. Horicsányi Attila, Kubinyi Enikő, Vásárhelyi Gábor, Vicsek Tamás társszerzők az ELTE és az MTA-ELTE kutatócsoportok kutatói. Iain Couzin és Andrea Flack társszerzők a Max Planck Állatviselkedés-tani Intézet és Konstanz Egyetem Kollektív Viselkedés Haladó Tanulmányozásának Központjának tagjai.

Videó összefoglaló: https://www.youtube.com/watch?v=_ELhBYj-_R4