Virtual reality onthult geheim achter synchroon zwemmende visscholen

Vogelzwermen, insectenzwermen en visscholen bewegen alsof ze één organisme zijn. Wetenschappers proberen al decennia te doorgronden welke simpele regels dat spectaculaire groepsgedrag mogelijk maken. Een team van natuurkundigen en neurobiologen van de University of California San Diego (UC San Diego) heeft daar nu een belangrijk antwoord op gevonden, door scholen van micro-glasvisjes (Danionella cerebrum) van dichtbij te bestuderen.

Het onderzoek, geleid door natuurkundige Palka Puri samen met hoogleraren Johnatan Aljadeff en Matthew Lovett-Barron, verschijnt in het vakblad Physical Review Letters. De bevindingen zetten een gangbare aanname in de biologie op losse schroeven.

Kopiëren van één buur in plaats van het gemiddelde

Decennialang gingen wetenschappers ervan uit dat een vis in een school zich richt naar de gemiddelde zwemrichting van alle vissen in zijn directe omgeving. Dat 'klassieke model' bleek echter niet te kloppen voor de glasvisjes uit San Diego. Uit de metingen van het team blijkt dat een vis telkens maar naar één willekeurig gekozen buurvis kijkt en diens bewegingsrichting kopieert. Dat 'paarsgewijze kopieergedrag' levert een veel grilliger en dynamischer patroon op dan het gemiddelde-model zou voorspellen, en verklaart bovendien hoe school­vorming ontstaat naarmate jonge vissen ouder worden.

Om te controleren of hun wiskundige model klopte, bouwden de onderzoekers een virtual reality-opstelling. Daarin zwommen echte glasvisjes samen met geprogrammeerde 'virtuele vissen' op een scherm. Zodra de onderzoekers de virtuele vis van richting lieten veranderen, reageerden de echte visjes precies zoals het kopieermodel voorspelde. Dat bevestigde dat de dieren daadwerkelijk op één individuele soortgenoot reageren, niet op de groep als geheel.

Een venster van een fractie van een seconde

De onderzoekers ontdekten ook wanneer dat kopiëren precies gebeurt. Vissen zwemmen niet gelijkmatig, maar in een afwisseling van korte, snelle bewegingen (bursts, waarbij ze versnellen en draaien) en rustigere glijfases (glides). Op het moment dat een vis zijn draai afrondt, ontstaat een kort 'venster van gelegenheid' waarin buurvissen zich razendsnel kunnen uitlijnen. Volwassen glasvisjes maken van dat venster gebruik met opvallend korte reactietijden.

Volgens de onderzoekers overbrugt het model een hardnekkige kloof tussen natuurkundige theorieën over bewegende deeltjes en het daadwerkelijke gedrag van dierengroepen in de natuur. Aljadeff, verbonden aan de afdeling Neurobiologie van UC San Diego, zegt dat de ontdekking van deze precies getimede interacties, gecombineerd met verbeterde technieken voor het scannen van hersenactiviteit, gaat helpen te begrijpen hoe individuele hersenen bijdragen aan groepsgedrag.

Lovett-Barron wijst op een bijzonder voordeel van Danionella cerebrum: de vissen zijn transparant. Daardoor kunnen onderzoekers straks rechtstreeks in de hersenen kijken terwijl de dieren elkaar kopiëren, en zo ontrafelen welke mentale berekening een vis op elk moment maakt. Het einddoel is te begrijpen hoe complex groepsgedrag zoals schoolvorming ontstaat uit de opgetelde hersenactiviteit van veel individuen tegelijk.