文章来源：海洋与湿地

本文的标题中的“schooling”这个词，不是“学校”。这个词在生物学中通常指一群鱼或其他水生动物聚集在一起，形成一个相对紧密的群体，这种行为被称为“群集”或“群游”。上图来源：pixabay

在自然界中，鱼群的集体运动，长期以来一直是科学家们关注的重点课题。别看这些看似简单的生物个体，却能在没有中央指挥的情况下，自发地形成各种复杂的运动模式，如漩涡、极化运动等。这种集体智慧的背后，视觉信息扮演着至关重要的角色。

以往的研究，主要关注鱼群成员之间是如何通过视觉信息进行的全面互动的。但是，这项近期最新研究发现，鱼类并不会处理来自所有同伴的视觉信息，而是会选择性地、只是关注部分信息。这种“选择性视觉注意力”机制，使得鱼类能够在复杂的环境中高效地做出决策。

该研究提出了一种基于个体的模型，以模拟鱼类的这种选择性视觉行为。模型中，每一条鱼都具有一个视觉注意力方向，该方向受周围同伴的视觉刺激所引导。通过模拟视觉注意力的移动，模型成功地重现了鱼类在不同距离下的选择性跟随行为，以及鱼群的多种集体运动模式。

此外，研究还分析了视觉互动的拓扑结构、以及鱼类之间的成对和三体交互。通过与实验结果的对比，研究者们更深入地理解了视觉信息在鱼群行为中的作用，并指出了其他形式的互动（如水动力学相互作用）在鱼群行为中可能发挥的作用。

鱼类通过眼睛感知周围环境，视网膜上的感光细胞将光信号转换为神经信号，并通过视神经传递至大脑的视觉中枢。每个神经节细胞接收多个感光细胞的信号，因此携带了图像的宽度信息。这些信号进一步传递至视觉皮层，形成保留视网膜位置信息的视网膜映射图。

鱼眼的视觉分辨率由神经节细胞的数量决定，通常为每平方毫米数万个。鱼类视网膜后部的细胞密度高于前部，因此对前方物体的分辨率更高。

鱼类从大量视觉信息中选择关键信息来指导运动。实验表明，鱼类主要根据目标图像的垂直尺寸来判断距离，而水平尺寸的影响较小。鱼眼具有良好的运动追踪能力，能够根据目标图像的大小和速度产生相应的神经信号，从而影响鱼类的运动方向。

鱼类对视觉刺激的反应包括三种基本行为：排斥、吸引和定向。排斥和吸引行为可以通过力场模型来描述，而定向行为则反映在鱼群的集体运动中。

模型中的每条鱼，都被简化为一个带有眼睛的矩形板，在无边界平面上运动。每条鱼的视觉系统能够感知周围鱼类的图像，并产生基于图像宽度和速度的信号。这些信号被整合形成视网膜映射图，引导鱼类的视觉注意力。鱼类根据视觉注意力方向上的邻近鱼类的信息，决定自己的运动方向。

这个模型，考虑了鱼类之间的排斥、吸引和定向三种交互作用力，并模拟了鱼群的各种运动模式。通过这个模型，研究者能够深入理解鱼类如何利用视觉信息进行决策，以及这种决策机制如何影响鱼群的集体行为。

该研究的结论主要有：一是鱼类选择性地处理视觉信息，而非所有信息，这使得它们能够在复杂环境中做出高效的决策。二是鱼类的视觉注意力会受到周围同伴的影响，并进而影响它们的行为，例如选择性地跟随特定个体。三是基于视觉系统的模型能够成功模拟鱼群的各种集体运动模式，例如漩涡、极化运动等。这表明视觉信息在鱼群的集体行为中扮演着重要角色。

这项研究的意义在于，它为人类理解鱼群的集体行为提供了新的视角。通过模拟鱼类的视觉选择机制，可以更好地解释鱼群是如何在没有中央控制的情况下实现高度的协同，有助于我们深入了解自然界的奥秘，而且为人工智能、机器人等领域的研究也提供了新的启示。

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编译 | 王芊佳

编辑 | Sara

排版 | 绿叶