运动与感觉的反馈在奔跑-翻滚导航中提供非线性增强

许多生物通过交替直线运动会（runs）与随机重新定向（tumbles）来导航梯度，每当吸引物信号增加时暂时抑制翻滚。这导致了运动与感觉之间的功能性耦合，因为翻滚概率受生物内部状态控制，而内部状态又依赖于先前的信号水平。尽管负反馈倾向于使该内部状态维持接近适应水平，但当沿梯度向上运动降低翻滚概率时会出现正反馈，进一步增强沿梯度向上的漂移。重要的是，这种正反馈能驱动内部状态的巨大波动，使解析方法复杂化。先前的研究聚焦于负反馈主导动力学时的情况。相反，我们在此展示，在生理相关参数空间中很大一部分区域内正反馈可以主导，即使梯度相对平缓。我们展示了由于正反馈固有的非正规动力学（稳定不动点附近的非正交特征向量）如何产生大的瞬态，并进一步确定了一个从根本上放大其效应的非线性。最为重要的是，这种放大是不对称的，延长有利方向上的奔跑并缩短其他方向上的奔跑。结果是一种“棘轮状”的梯度攀爬行为，其漂移速度可接近生物最大奔跑速度的一半。因此，我们的结果表明，奔跑-翻滚导航的经典缺陷——错误方向上的浪费性奔跑——可通过利用奔跑-翻滚策略中隐含的非正规动力学来缓解。