D8月27日上午，eborah Gordon在尘土飞扬的新墨西哥州罗迪欧镇外观察了一群收割蚁在寻找种子。早在第一缕阳光照射到沙漠地面之前，一群巡逻蚁就已经开始行动了。他们的任务是找出巢穴附近的区域是否没有暴洪、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不安全。
当巡逻队回来，第一批觅食者离开后，他们就四散开来，寻找群体赖以生存的富含脂肪和能量的种子。其他的觅食者在巢的入口处等待着第一波海浪的归来。如果附近有很多食物，觅食者会迅速返回并离开，从而产生巨大的连锁反应。然而，如果食物匮乏，第二组觅食者可能根本就不会离开巢穴。
“这是一个出色的系统。斯坦福大学的生态学家戈登说:“蚂蚁可以利用突然飞来的食物，但如果那里什么都没有，它们不会浪费能源和资源。”
群体中每个个体的行为是由它与其他蚂蚁相遇的速度和一套基本规则决定的。它的行为会改变邻居的行为，从而影响原来的蚂蚁，这是一个经典的反馈例子。其结果是令人吃惊的复杂行为。“单独来说，蚂蚁是愚蠢的，”戈登说。她凝视着远方，深深地吸了一口气。“但是殖民地?这就是智慧所在。”
在离戈登位于加州帕洛阿尔托的办公室约110英里的地方，马克·戈德曼(Mark Goldman)正在研究另一种复杂的紧急行为。戈德曼是加州大学戴维斯分校的神经学家。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2012年，当他前往斯坦福大学，与一位最近参加过戈登演讲的同事一起计划进行一些实验时，事情发生了转机。
“当我观看这些蚁群的电影时，神经元突触似乎发生了什么。这两个系统都在积累关于它们的输入的证据——返回的蚂蚁还是输入的电压脉冲——来决定是产生一个输出——一个外出的觅食者还是一袋神经递质，”戈德曼说。在他的下一次斯坦福之旅中，他延长了逗留时间。一项不同寻常的研究合作开始联合起来:蚂蚁将被用来研究大脑，而大脑将被用来研究蚂蚁。
E大脑860亿个神经元中的每一个都与成千上万的其他神经元相连。当一个神经元发出信号时，它会向附近的神经元发送一个信号，从而改变它们同样发出信号的概率。一些神经元是兴奋性的，这就增加了其他神经元被激发的机会。另一些则是抑制性的，减少了这种机会。一个给定神经元的邻居的输入的组合将决定它是否发出信号。如果两个神经元经常互相刺激，它们之间的突触(化学或电子信号传递的一个小间隙)就会加强，这样它们就能更容易地相互提供反馈。
“这就是你在霍华德休斯医学研究所的神经科学家Dmitri Chklovskii说，这就是你觉得”燃烧的神经元聚集在一起“。但是，对于这种格言，通常不会理解的是，布线还需要第二个神经元向第一个发出消息，也是它也被解雇了。
“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一个反馈尖峰。这有助于突触做出变得更强的决定，”chklovski说。反馈是与蚂蚁相似之处的开始。“反馈循环无处不在。他们允许系统意识到它过去所做的不再有效，并尝试一些新的东西。”
蚂蚁和大脑实际上都依赖于两种反馈，并保持着微妙的平衡:负(抑制性)反馈和正(兴奋性)反馈。“负面反馈往往会带来稳定。德国雷根斯堡大学的蚂蚁生物学家Tomer Czaczkes说。“这两条简单的规则让事情变得非常强大。”
对食物的觅食反应是一个正反馈循环的例子，对于任何一个野餐被一排蚂蚁排成一列走向他们的食物所破坏的人来说都很熟悉。但是，知道什么时候不要离开巢穴，冒着被捕食和脱水的风险，可能与知道什么时候利用意外收获的种子一样重要。在低水平的输入(例如，少量的食物)中，正反馈占主导地位。在高水平的输入中，负面反馈占主导地位，有助于防止过程失控。
这种失控过程可以代表殖民地的重大危险。Czaczkes提出了一种涉及南美陆军蚂蚁的故事，这与收割机蚂蚁不同，依靠信息素航行。1936年，蚂蚁生物学家T.C.施尼拉尔看着一群军队蚂蚁落入“蚂蚁死螺旋”，因为他们完全在一棵大树周围创造了一条信息线。仙蚂蚁，施奈拉在1944年的一篇论文中提到，发现并跟踪自己的信息素踪迹。越来越多的蚂蚁加入进来，围绕着同一棵树，沿着一个无穷无尽的正反馈循环，持续数天，通过倾盆大雨，直到蚂蚁开始因疲惫而死亡。
Czaczkes说:“只依赖积极的反馈会让你陷入这种困境。”他后来证明，在黑花园蚂蚁中，正反馈被负反馈平衡了，而负反馈允许快速适应环境。
“单独地，蚂蚁是愚蠢的。但殖民地？这就是智慧所在。”
在大脑中也发现了类似的反馈网络，无论是在单个神经元层面还是在整个大脑层面。就像一两只收获蚁发现贮藏的种子会引发大量蚂蚁离开巢穴一样，一些钠离子进入神经元也会引发大量的神经元涌入。这种正反馈提高了神经元的电压，使其超过某个阈值，导致神经元放电，暂时阻止钠离子的流入，同时让钾离子大量外流。
单个神经元的活动诱发了大脑周围的电磁场，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的大脑施加弱电场，雪貂的大脑产生缓慢但有规律的脑波，类似于深度睡眠时的情况。他们发现，这个区域可以加强大脑组织中现有的神经活动，使涟漪变成海啸。当科学家们将相反的电场应用到正在经历常规神经活动波的脑组织时，他们能够破坏这个反馈回路。1
虽然我们知道大脑中存在这些反馈过程，但它们很难观察到——比蚁群中的类似反馈过程难得多。因此，戈登和高曼结成了蚁脑联盟。首先，他们关注蚂蚁行为的一个特定方面:蚂蚁离开巢穴并开始觅食所需的交互次数。
我N 2013年8月，戈登回到了同样的沙漠灌木丛中，亚利桑那州和新墨西哥的边界，她每年夏天都去了30年。用地图和剪贴板武装，她大写厚厚的草丛和厚厚的草地，开始她的实验。当她走过收割机蚂蚁殖民地时，她像老朋友一样迎接他们。“生日快乐，殖民地330.你又做了一年，”她说她在一张纸上涂上一张纸张，从不突破步行。
在一群本科生和博士生的陪同下，戈登来到了她用一根生锈的铁丝和一个冲压的金属标签标记为889的巢穴。每个人都放下他们的设备，从大塑料桶到雨伞再到花生酱，什么都有。戈登拿出一卷蓝色管道胶带，上面印着海绵宝宝的图片。学生们立刻开始把衬衫塞进裤子里，把牛仔腿塞进袜子里。然后，他们小心地把海绵宝宝胶带缠在脚踝、手腕和腰部——任何蚂蚁可能咬到的地方。神经科学研究从来没有像现在这样。
学生们在他们的衣服上拍了带子后，安装了两台摄像机。一个瞄准了巢穴的开口，一个在地面上的洞，看起来像是用铅笔钻出来的。另一个瞄准了距离巢穴入口约三英尺的正方形，每边约一英尺，角落里有石头。那天早上，戈登拿着从西南研究中心的自助餐厅偷来的塑料勺子，开始扩大这个小巢的入口。然后摄像机开始拍摄。
在20分钟的时间里，研究小组记录了收割蚁像往常一样的生活，离开巢穴寻找食物，并把种子带回家。然后，戈登把她的注意力集中在广场上。就像蓝带餐厅(Cordon Bleu)的厨师捏一点盐一样，戈登熟练地用拇指和食指夹住正方形的蚂蚁，把它们扔进一个塑料桶里。摄像机还在不停地拍摄，而平时熙熙攘攘的蚁群入口却变得异常安静。
她解释说:“蚂蚁没有从它们的同伴那里得到反馈。”“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，在同伴们带着食物成群返回后，收获蚁只花了3秒钟就开始更快地离开巢穴。2相反的反应速度慢得多：如果觅食者没有返回四到五分钟，则入口处附近的蚂蚁越来越深。该团队还测量了殖民地被中断后恢复正常的时间。
这些数字对高盛来说是宝贵的信息。像蚂蚁一样，神经元也有第一反应和第二反应。当神经元被激活时，它释放的神经递质被储存在被称为囊泡的容器中。其中一个囊泡池被称为“容易释放池”，它就生活在细胞膜上，是第一个被释放的囊泡。然而，这个池中的囊泡数量很少，可以很快被耗尽。如果发射速率保持在中等水平，则第二个被称为“回收池”的囊泡池开始工作，而非常激烈的发射速率将召唤第三个被称为“储备池”的囊泡池。
返回的觅食者就像一个来电潜力;蚁群中的潜在觅食者就像一个突触囊泡。这些潜在的施工器也似乎根据其对隧道入口的邻近来安排。那些再回来的人与回收和储备池类似。正如潜在的觅食者必须决定是否留下巢以寻找食物，突触必须决定是否释放囊泡。
高盛认为，他可以使用蚂蚁数据来了解沙漠蚂蚁的觅食行为以及与囊泡回收相似或不同的方式。为了了解蚂蚁觅食行为，他使用称为随机蓄能器的数学构造。此模型将蚂蚁在某个时间窗口内接收的输入，以考虑环境的固有随机性的方式。在突触中，触发蚂蚁觅食行为的化学信号由触发神经递质释放的电信号代替，并且蚂蚁的假/保持判定被释放/不要释放突触的决定。
戈登希望建立更精确的蚂蚁行为数学模型。她希望这能帮助她理解个体对相互作用的不同反应如何导致不同蚁群之间的差异。例如，在干燥条件下觅食较少的蜂群更有可能产生子蜂群。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同伴进行更多的互动。“采集食物真的很危险，”戈登说。“这实际上有利于蜂群表现出克制，因为它们没有浪费资源。”
在她从新墨西哥州回来的几个月里，戈登花了很多时间看她新收集的视频。她和她的博士后、研究生和本科生组成的团队一起，数蚂蚁们在蚁群入口处的数量。每一只到达的蚂蚁都得到一枚利器点击在秒表的柜台上，学生使用，使分析听起来像是她斯坦福实验室角落的机枪战斗。每次点击次数，一个物种更接近地移动到其他 - 和本身。
卡丽·阿诺德(Carrie Arnold)是一位居住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》《发现》《新科学家》《新星》和其他出版物。
参考文献
1.Fröhilch, F. & McCormick, D.A.内源性电场可能指导新皮层网络活动。神经元67.(1), 129 - 143(2010)。
2.Pinter-Wollman, N。et al。收获蚁利用相互作用来调节觅食蚁的激活和可用性。动物行为（2013）。从...获得http://dx.doi.org/10.1016/j.anbehav.2013.05.012。
本文最初发表于2014年4月的《反馈》杂志。
