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群れの科学

京都大学 総合人間学部

阪上雅昭

2群れの科学

群れの形態の時間進化，多様性，ゆらぎ・相関

群れの俊敏な反応，情報伝達

群れの動力学，情報伝達

群れの形や行動の予測と制御

リーダーは存在するか

群れの中の階層が意志決定に影響するか

脳科学，認知科学とのアナロジー

群れは意識をもつか

集団の意志決定，合意形成

3さまざまな生物集団

マイワシ ムクドリ

golden shiner 伝書鳩 アヌビスヒヒ at Kujukushima Umikirara Aquarium(Nagasaki, Japan)

Rotating School of Sardines (about 3,000 individuals)

From the side From the bottom

Sardines : about 3,000Swimming speed :1~2 BL/sOne rotation : 30~60 sec.dynamical time

5生物個体：自己推進粒子

生物，自動車．．． 自分自身で動ける

自己推進粒子: self-propelled particle (spp)

１個のspp の運動を予測することは難しい

集団になると，周囲の粒子との関係で spp の運動が制約を受け，統計的に運動を予測できるようになる．

群れをモデル化する： Boid, Tu-Toner モデル，Ｖｉｃｓｅｋ，丹羽，三宮-松田

あたかも，周囲の粒子から力を受けているように記述する

例：交通流

作用，反作用の法則が成り立たない

6Boid (Bird-oid) 鳥もどき

１．衝突回避 （反発領域 rR）

２．整列作用 （整列領域 rO ）

３．吸引作用 （吸引領域 rＡ ）

Reynolds (1987)

rR

rO

rＡ

１．逆方向に逃げる ２．整列領域にいる個体の平均速度の方向に向かう

３．吸引領域にいる個体の重心の方向に向かう

7Boid model のシミュレーション

停滞 トーラス（円環）

平行 伸長（高速）

ノイズの強さ，さらに整列領域と吸引領域の半径を変えると４つの形態が実現できる

Couzin et al. J.Theor.Biol.218 (2002) 1

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9Agitation mode の測定：水槽底の水中カメラによる測定 トーラスの変化

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11h38m29s 12h27m14s

13h12m02s 13h34m02s

2013.3.26

Velocity Fields:Spatial Average of Optical Flow (1BLX1BL)

12群れにリーダーはいるか？

伝書鳩の群れにはリーダーがいる

13群れの中の個体間距離 Ballerini et al. PNAS (2008) 105, 1232

計量距離 vs 位相距離

ステレオカメラによるムクドリ群れの3D 位置計測

最近接個体の角度分布

１０番目の個体の角度分布

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ムクドリ群れ

平均密度，平均間隔が異なる

平均間隔

６番目の個体まで見ている

15Cavagna et al. PNAS (2010) 107, 11865 速度ゆらぎ相関の

スケールフリー性

ムクドリ群れ

カタクチイワシ群れの素早い運動16

撮影場所：佐世保 九十九島水族館

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動画解析 by OpticalFlow

運動の向きを⾊で表す

18群れのどの範囲の仲間の影響を受けるか？

rR

rO

rＡ(計量)距離 位相距離

距離の近い順番

見えている範囲

Ariana Strandburg-Peshkin et al. Current Biology (2013) 23, R709

Golden Shiner (淡水魚)の情報伝達

19⾚：訓練された個体

訓練されていない個体の反応から visual がもっともらしい

群れの科学の展開

さまざまな適用例

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http://wired.jp/2013/12/28/as-one-vol8/

wired vol.8

2013.12

群れの科学

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「群れは意識をもつのか」という問いにおいて，群れを，神経細胞と置き換えてみる．神経細胞の群れとは脳だ．意識は脳の産物であると誰もが思うものの，単独で培養される神経細胞は，意識や心の片鱗も見せない．ところが，千数百億の神経細胞が集団となったとき，そこには単なる集団を超えた「意識」が出現することになる．

群れの場合に否定された集合的意識が，脳では逆に自明なもの説明すべき問題となっている．ムクドリの場合には全否定され，神経細胞の場合は全面的に肯定される．その違いは．集合的意識の存在に対する，素朴な信念だけではなかろうか．

「群れは意識をもつ」 p.15

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意識を生み出す基盤は，おびただしい数の異なる状態を区別できる，統合された存在である．

つまり，ある身体システムが情報を統合できるなら，そのシステムには意識がある．

「意識はいつ生まれるのか」 p.126

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群れにリーダーはいるか？

集団の意志決定, 合意形成

拍⼿の同期

アリの凝集とミュラー・リヤー錯視

脱出とパニック

群れのどの範囲の仲間の影響を受けるか？

ロボットによる群れのコントロール

交通流，交通渋滞

26脱出とパニック

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Nature 443(2000) 849Phys.Rev.E61 (2000) 6987

gl ll拍手の音量 局所的な拍手の音量

r 主要な周期成分の強さ

gl 拍手の音量（移動平均）

T 主要成分の周期

拍⼿の同期 28同期現象

台の上のメトロノーム ホタルの木

London Millenium Bridge ろうそくの同期

29民主的合意形成訓練あり個体（２種類）

Couzin et al. Science (2011) 334, 1578

Majority 青い標的に向かうように訓練

訓練なし個体は BOID のルールに従う．

BOID のルール＋青い標的に向かう力

3.01 61 N

Minority 黄色い標的に向かうように訓練

BOID のルール＋黄色標的に向かう力

252 N

3N

Majority

Mainority

3003 N訓練あり個体だけ

2黄色の標的に向かう力を強くして行く

訓練なし個体を増やしていく

群れが青い標的に到達する確率

61 N

52 N

31魚群 (golden shiner) での実験

32群れの中の順位が意志決定に影響するか

pull と anchor というイベントをGPSデータから抜き出す

Ariana Strandburg-Peshkin et al. Science (2015) 348, 1358

25匹のアヌビスヒヒのGPSデータを解析

33 34

35 36アリの凝集とミュラー・リヤー錯視

蜂蜜で錯視図形を画きアリに群がらせる

20分間のアリの位置を計測

Sakiyama and Gunji PLOS ONE (2013) 8, e81714

37 38アリのモデルによるシミュレーション

39

同期時間発展非同期時間発展

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最適速度モデル

交通流・歩行者流