Formal models of information transfer in eusocial insects: the role of social mobility and persistence as organizers of the collective activity

La recolección colectiva de néctar en abejas melíferas es un sistema complejo donde seintegran una multitud de experiencias y canales informativos logrando, a partir delcomportamiento de los individuos, un funcionamiento colectivo flexible ybiológicamente eficaz. Dada su complejidad, se utilizan modelos formales para abordarcómo se entrelazan los diferentes componentes y mecanismos del sistema. Hasta elpresente sólo unos pocos trabajos han intentado abordar la relevancia de lasexperiencias previas de los individuos en el funcionamiento de la recolección colectivade alimento líquido. En particular, a pesar de la evidencia experimental disponible, aúnno se han formalizado modelos que consideren la importancia de las experienciasolfativas asociadas al alimento entrante en el corto y en el largo término y cómo ésteafecta el funcionamiento de la recolección de néctar y a los mecanismos sociales queproducen la distribución de esta información olfativa a escala colectiva. En estecontexto, se vuelve además necesario incluir consideraciones sobre la estructura de lapoblación de la colmena, la cual está organizada en grupos de edad, en donde losindividuos se mueven de un grupo a otro en el tiempo (polietismo etario). En estesentido, se propone en esta Tesis establecer una plataforma conceptual y computacionalpara la construcción de modelos pertinentes. El modelo que se presenta en esta tesiscomprende tres submodelos principales: una red neuronal para representar elaprendizaje asociativo, un modelo de comportamiento según el grupo de edad y unmodelo de historia de vida para las transiciones entre grupos de edad. Se considerarontres grupos de edad: recolectoras, procesadoras y nodrizas. Asimismo, el modelo fueparametrizado de acuerdo con datos experimentales obtenidos en abejas. Se realizaronsimulaciones con el fin de evaluar la influencia de la estructura social basada enpolietismo etario sobre la persistencia de memorias apetitivas olfativas adquiridas víaintercambio de alimento o trofalaxia a edades tempranas. Además, estudiamos cómo lasexperiencias tempranas ayudan a mejorar la persistencia de información en grupos demayor edad. Dentro de un intervalo biológicamente plausible, el presente modelosugiere que la persistencia de la información relacionada con el alimento a una escalasocial es sensible a un compromiso entre las tasas sociales de aprendizaje y la tasa decambio de grupo. En consonancia, el peso relativo de las experiencias tempranas en lainformación de persistencia se incrementó a mayores tasas de cambio de grupo. Enefecto, si bien en ese caso la respuesta olfativa en cada grupo etario se extinguía másrápidamente, se mantenía en ese periodo una mayor proporción de individuos conrespuestas si estaban en las clases procesadoras y recolectoras, lo cual sugiere lapotencialidad de una respuesta social más eficaz frente a la eventual reaparición de unrecurso conocido. Collective nectar foraging in honeybees is a complex system, where a plethora ofexperiences and informative mechanisms are integrated, achieving, on the substrate ofindividual behavior, a flexible and biologically effective functioning. Given itscomplexity, formal models are required to approach how system elements andmechanisms work together. Till now, only a few models have tried to study therelevance of individual experiences in collective foraging. In spite of the availableexperimental evidence, it has not yet formalized theoretical models that consider theimportance of olfactory experiences related to the incoming food at the short and longterm. Neither the social mechanisms that allows a wide distribution of this olfactoryinformation within the hive nor the role of the different age groups on the socialpersistence of this information were considered until now. In this way, we firstestablished a conceptual and computational framework for the construction of modelsrelevant to approach these issues. In this population, individuals are distributed amongdifferent age groups and the move from younger groups to older ones. In this way, weneed to include some notions about honeybee population structure. The hive isstructured in age groups, where individuals move at a slow pace among different agegroups as they age. The model presented in this Thesis comprises three mainsubmodels: a neural network to represent associative learning, a behavior model specificto each age group and a life history model controlling the transitions between groups. Inparticular, we included three age groups: foragers (the oldest bees), food processors (middle age bees) and nurses (young bees devoted to brood care). The model isparameterized with experimental data. We performed simulation to assess the influenceof the social structure based in age polyethism on the persistence of olfactory memoriesacquired via trophallaxis at early life stages. Also, it is studied how early experiencesimprove olfactory information persistence in the older age groups. Within a biologicallyplausible range, the present model suggests that, at a social scale, food relatedinformation persistence is sensitive to a trade-off between social rates of learning andtask-switch rate. Furthermore, the relative weight of early experiences on informationpersistence in older groups increases as task-switch rates increases. Indeed, althougholfactory response disappeared faster in all groups, there was a higher proportion ofindividuals in older groups showing response in that period. This suggests a moreeffective social response to the eventual reappearance of previously known resources inthat narrower time window. Fil: Corti Bielsa, Gonzalo D.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.