D类 8月27日上午，埃博拉·戈登（eborah Gordon）在新墨西哥州尘土飞扬的小镇罗迪奥（Rodeo）外观看了一群收割蚁在觅食种子。早在第一缕阳光照射到沙漠地面之前，一群巡逻蚁就已经在行动了。 他们的任务是找出巢穴附近的区域是否没有洪水、大风和捕食者。 如果它们不返回巢穴，离开的觅食者就会知道去寻找食物是不安全的。
巡逻队回来后，第一批觅食者也离开了，他们四散奔波，寻找殖民地赖以生存的脂肪丰富、能量丰富的种子。 其他觅食者在巢穴入口处等待第一波海浪回来。 如果附近有很多食物，觅食者就会迅速返回并离开，从而产生大规模连锁反应。 然而，如果食物匮乏，第二组觅食者可能根本不会离开巢穴。
斯坦福大学生态学家戈登（Gordon）说：“这是一个很好的系统。蚂蚁可以利用突然获得的食物，但如果没有食物，它们就不会浪费能量和资源。”。
群体中每个个体的行为是由它遇到其他蚂蚁的速度和一组基本规则决定的。 在一个典型的反馈示例中，它的行为会改变其邻居的行为，进而影响原来的蚂蚁。 结果是令人惊讶的复杂行为。 戈登说：“就个体而言，蚂蚁是哑巴。”。 她凝视着远方，大口吸气。 “但殖民地呢？那就是情报的所在。”
马克·戈德曼（Mark Goldman）在距离加州帕洛阿尔托（Palo Alto）戈登（Gordon）办公室约110英里的地方研究一种不同的复杂的突发行为。 戈德曼是加州大学戴维斯分校的神经科学家。 在他一生的大部分时间里，他从来没有对蚂蚁特别感兴趣。 但当他在2012年前往斯坦福大学，与一位最近参加了戈登演讲的同事一起计划一些实验时，事情发生了变化。
Goldman说：“当我观看这些蚁群的电影时，它看起来就像是神经元突触上发生的事情。这两个系统都积累了关于它们输入的证据——返回的蚂蚁或输入的电压脉冲——来决定是产生输出——外出的觅食者还是一包神经递质。”。 在他下一次去斯坦福时，他延长了逗留时间。 一项非同寻常的研究合作已经开始融合：蚂蚁将被用来研究大脑，而大脑则被用来研究蚂蚁。
蚂蚁地： 黛博拉·戈登（Deborah Gordon）多年来一直在回到新墨西哥州这片土地上研究蚂蚁。 卡莉·阿诺德 E类 大脑860亿个神经元中的每一个都可以连接到数千个其他神经元。 当一个神经元启动时，它会向附近的神经元发送一个信号，从而改变它们也启动的概率。 一些神经元具有兴奋性，增加了其他神经元激发的可能性。 其他人则表现出抑制性，并减少了这种可能性。 给定神经元邻居的输入组合将决定它是否触发。 如果两个神经元经常相互激发，它们之间的突触（传递化学或电信号的一个小间隙）将加强，从而更容易相互提供反馈。
霍华德·休斯医学研究所的神经学家德米特里·切洛夫斯基（Dmitri Chklovskii）说：“这就是人们常说的‘神经元相互作用，相互连接’。”。 但这句谚语常常让人无法理解的是，连接还需要第二个神经元向第一个神经元发送一条信息，告诉第一个神经元它也已经启动了。
Chklovskii说：“上游神经元知道第二个神经元被激活的唯一方法是它产生反馈尖峰。这有助于突触做出变得更强的决定。”。 反馈是与蚂蚁相似的开始。 “反馈回路无处不在，无处不在。它们让系统意识到它过去所做的已经行不通，并尝试新的东西。”
蚂蚁和大脑实际上都依赖于两种类型的反馈，并保持微妙的平衡：消极（或抑制）反馈和积极（或兴奋）反馈。 德国雷根斯堡大学的蚂蚁生物学家Tomer Czaczkes说：“负反馈往往会导致稳定性。正反馈往往会造成失控行为。”。 “这两条简单的规则让事情变得非常强大。”
觅食对食物的反应是一个正反馈循环的例子，任何一个野餐被一排排排蚂蚁排成单行走向食物破坏的人都很熟悉。 但是，知道什么时候不离开巢穴，冒着被捕食和脱水的风险，可能与知道什么时候利用种子的意外收获一样重要。 在低水平的输入（例如少量食物）下，积极反馈占主导地位。 在高输入水平下，负反馈占主导地位，有助于防止失控过程。
这种失控的过程可能对殖民地构成重大威胁。 Czaczkes提到了一个关于南美军蚁的故事，与收获蚁不同，它依赖信息素进行导航。 1936年，蚂蚁生物学家T.C.施奈拉（T.C.Schneirla）观察到一群军蚁跌入“蚂蚁死亡螺旋”，它们在一棵大树周围形成了一条信息素轨迹。 领头蚂蚁Schneirla 1944年的一篇论文中提到 发现并追踪自己的信息素踪迹。 越来越多的蚂蚁加入进来，在同一棵树周围形成了一个无休止的积极反馈循环，在倾盆大雨中持续了几天，直到蚂蚁开始因疲劳而死。
Czaczkes说：“仅仅依靠积极的反馈会让你陷入这样的困境。”。 他后来证明，在黑花园蚂蚁身上，正反馈与负反馈是平衡的，负反馈可以快速适应环境。
“就个体而言，蚂蚁是愚蠢的。但蚁群呢？这就是智慧所在。”
在大脑中，无论是单个神经元还是整个大脑，都发现了类似的反馈网络。 正如一两只采集蚂蚁发现种子库会引发大量蚂蚁逃离巢穴一样，少数钠离子进入神经元也会引发大量蚂蚁涌入。 这种正反馈将神经元的电压提高到超过某个阈值，使其放电并暂时阻止钠离子的流入，同时让钾离子大量流出。
单个神经元的活动会在大脑周围感应电磁场，这些电磁场可以用脑电图（EEG）记录下来。 脑电图信号也是一种正反馈形式。 耶鲁大学的科学家对雪貂大脑的一部分施加弱电场，雪貂的大脑产生缓慢但有规律的脑电波，类似于深度睡眠时的情况。 他们发现，这一领域可能会加强脑组织中现有的神经活动激增，导致涟漪演变为海啸。 当科学家将相反的电场应用于经历有规律的神经活动波的脑组织时，他们能够破坏这个反馈回路。 1
虽然已知大脑中存在这些反馈过程，但很难观察到，这比蚁群中的类似反馈过程要难得多。 因此，戈登和戈德曼结成了一个“蚁脑联盟”。 首先，他们关注蚂蚁行为的一个特殊方面：蚂蚁离开巢穴并开始觅食所需的交互次数。
我 2013年8月，戈登回到了30年来每年夏天都会去的横跨亚利桑那州和新墨西哥州边境的沙漠灌木丛。 她拿着地图和剪贴板，大步走过填满的泥土和茂密的草地，开始她的实验。 当她走过收割机蚁群时，她像老朋友一样向他们致意。 “生日快乐，柯罗尼330。 你又活了一年，”她边说边在一张纸上草草写下一张便条，从未停下脚步。
在一群本科生和博士生的陪同下，戈登来到了一个她用一根生锈的铁丝和一个压印好的金属标签标记了889的巢穴。 每个人都放下了他们的设备，包括从大塑料桶到雨伞到花生酱的所有东西。 戈登取下一卷蓝色胶带，上面贴着海绵宝宝的照片。 学生们立即开始把衬衫塞进裤子里，把牛仔裤腿塞进袜子里。 然后，他们小心地将海绵宝宝胶带缠绕在脚踝、手腕和腰部——蚂蚁可能会咬到的任何地方。 神经科学研究以前从未如此。
学生们把衣服包好后，安装了两台摄像机。 其中一个目标是鸟巢的开口，地面上有一个洞，看起来像是用铅笔钻出来的。 另一只瞄准了距离鸟巢入口约三英尺的一个广场，每侧约一英尺，角落处有岩石。 那天早上，戈登拿着从西南研究中心自助餐厅偷来的塑料勺子，开始扩大小巢的入口。 然后摄像机开始转动。
在20分钟的时间里，研究小组记录了收获蚁像往常一样生活，离开巢穴寻找食物，并将种子带回家园。 然后，戈登把注意力集中在广场上。 戈登熟练地用拇指和食指抓住方形的蚂蚁，把它们扔进一个塑料桶里，就像一个蓝带厨师捏了一点盐一样。 当平时熙熙攘攘的蚂蚁入口处诡异地静止下来时，摄像机一直在转动。
她解释说：“蚂蚁没有从它们的巢友那里得到反馈。”。 “没有人进来，所以里面的蚂蚁没有得到离开的信号。”
戈登和她的团队发现，收获蚁的巢友开始成群结队地带着食物回来后，它们只需三秒钟就可以更快地离开巢穴。 2 相反的反应要慢得多：如果觅食者四至五分钟内没有回来，入口附近的蚂蚁就会逃到地下深处。 该团队还测量了蜂群在被破坏后恢复正常所需的时间。
这些数字对高盛来说是宝贵的信息。 像蚂蚁一样，神经元也有第一和第二反应器。 当一个神经元起火时，它释放出储存在称为囊泡的容器中的神经递质。 一个被称为“易释放池”的囊泡池就生活在细胞膜上，是第一个被释放的。 然而，这个池子里的小泡数量很少，很快就会耗尽。 如果发射率继续保持在中等水平，第二个被称为“回收池”的囊泡池就会发挥作用，而非常高的发射率将产生第三个被称为“储备池”的囊泡池
一个返回的觅食者就像一个传入的动作电位； 蚁群中潜在的觅食者就像一个突触囊泡。 这些潜在觅食者似乎也根据其与隧道入口的距离进行安排。 后面的那些类似于回收和储备池。 正如潜在的觅食者必须决定是否离开巢穴寻找食物一样，突触必须决定是否释放囊泡。
戈德曼相信，他可以利用蚂蚁的数据来了解沙漠蚂蚁的觅食行为，以及这种行为与囊泡循环的相似或不同之处。 为了理解蚂蚁的觅食行为，他使用了一种称为随机累加器的数学构造。 该模型对蚂蚁在特定时间窗口内接收到的输入进行了汇总，并考虑了环境的固有随机性。 在突触中，触发蚂蚁觅食行为的化学信号被触发神经递质释放的电信号所取代，蚂蚁的离开/停留决定被突触的释放/不释放决定所取代。
就戈登而言，她希望能建立更精确的蚂蚁行为数学模型。 她希望这将有助于她理解个体蚂蚁对相互作用的不同反应如何导致蚁群之间的差异。 例如，在干燥条件下觅食较少的菌落更有可能产生子菌落。 这种适应可能是由于蚂蚁在离开巢穴觅食之前需要与它们的巢友进行更多的互动。 戈登说：“采集食物真的很危险。”。 “表现出克制实际上有利于殖民地，因为他们没有浪费资源。”
在她从新墨西哥州回来的几个月里，戈登花了很多时间观看她新收集的视频。 她和她的博士后、研究生和本科生团队一起，数着蜂群入口周围的蚂蚁。 每次蚂蚁到达都会收到一个尖锐的 点击 在学生们使用的秒表式计数器上，这样的分析听起来就像是她斯坦福实验室角落里的一场机关枪大战。 每点击一次，一个物种就更接近于了解彼此和自己。
卡莉·阿诺德是一位生活在弗吉尼亚州的自由科学作家。 她涵盖了生活世界的许多方面 《科学美国人》（Scientific American）、《发现》（Discover）、《新科学家》（New Scientist）、《NOVA》（NOVA）、， 和其他出版物。
工具书类
1.Fröhilch，F.&McCormick，D.A.内源性电场可能指导新皮质网络活动。 神经元 67 (1), 129-143 (2010).
2.北卡罗来纳州平特沃尔曼。， 等。 收获蚁利用相互作用来调节觅食者的活动和可用性。 动物行为 (2013). 检索自 http://dx.doi.org/10.1016/j.anbehav.2013.05.012。
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