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小小昆虫也有强大学习本领:大脑小并不一定不聪明

蜜蜂可以穿过树木和各式各样的地标,飞到离蜂巢10公里以外的地方。它们必须寻找最出色的花朵、找到最丰厚的花蜜,并记住它们的位置。它们还要避开掠食者,飞回家中,与同属一个复杂社会关系的蜜蜂进行交流。

但事实没这么简单。一旦一只蜜蜂研究出怎样才能喝到花蜜之后,其它蜜蜂都学会了这个方法。这门技能甚至比最初取得成功的那只蜜蜂活得还要长,成为了这个蜂群“技能库”的一部分。第一只学会拉线的蜜蜂死后,这门技术在蜜蜂之间一代代传了下去,“我简直不敢相信自己看见了什么。”奇特卡表示。

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正因为如此,他才能解决尚无法在更大的大脑中得到解答的运作机制问题。

他们利用了一种技术,能够实时观察到果蝇在虚拟现实世界中穿行时、单个神经元的激活与关闭状态,实验中,果蝇在一台迷你跑步机上行走——其实是一个球,会随着果蝇向前走、停下来、或朝其它方向移动而转动。与此同时,“跑步机”四周有一个屏幕,研究人员把光线投射到上面,就像“果蝇版”的Imax电影,随着果蝇在球面上走动,屏幕上的光线也会随之移动,就好像它们在现实世界中飞行一样。果蝇如果向左转,屏幕上的世界也会相应向右移动。

维威克是一名通过训练学成的工程师。他想弄清这种行为背后的机制。大脑是如何实现认知的?为此,他需要观察行为发生的同时、神经元的所作所为,但我们能进入果蝇的大脑、倾听它们的想法吗?从某种意义上来说可以吧。维威克利用了一些强大的研究工具,选择性地关闭和开启不同的脑区,然后观察神经元的实时激活状态。

蜜蜂通过学习,还会辨别颜色和图案。它们能从数公里外找到回家的路吗?毫无问题。认出人脸?也是小菜一碟。但蜜蜂会使用工具吗?这个嘛,就是奇特卡接下来想要解答的问题了。

达尔文认为,动物还可进行跨物种学习。他注意到,蜜蜂观察到大黄蜂用一种新方法吸食花蜜后,可能也会学会这种方法。

他的研究传达的信息其实很直截了当:如果你想研究某种复杂事物的运作机制,先从研究简单的事物开始。这里的“简单”是个相对说法,因为神经元和彼此之间的连接绝对谈不上简单。“但至少从数字上来说,果蝇大脑中的神经元数量确实更少,更紧凑,同时可以研究好几个果蝇大脑。”维威克表示,“我也有工具来操纵它们,按我的想法摆弄不同脑区。”

许多人可能认为,只有体积较大的大脑才能实现复杂行为。毕竟人类的大脑一般都很大,约含有860亿个神经元,而且人类是一种极其聪明的物种。这两点特征之间一定有所关联。

比如说,蜻蜓会在半空中迂回飞行,抓捕蚊子、蛾子、蝴蝶、甚至其它蜻蜓。这项任务做起来比看起来难得多。每种猎物都有独特的飞行模式。蜻蜓必须观察猎物的飞行方式,预测它接下来可能的飞行轨迹,然后在半途中将其截获。这需要一定的行为灵活度和规划能力。

下一步,研究人员想弄清这种内部表征是否有一定灵活性。如果你的舍友告诉你,他把手电筒从厨房拿到了卧室,你的内部表征就必须对这一新信息做出适应,“这对我来说是认知能力的基本构成部分。”维威克说道,“规划能力建立在内部表征和记忆的基础上,而不是仅对眼前所见做出反应。”

上世纪90年代,奇特卡的实验室开展了一项实验,研究蜜蜂是否会数数。结果发现,它们可以, 平安彩票“当时我们就有些摸不着头脑了,”奇特卡表示,“这么小的大脑,究竟能有多聪明呢?”

2015年,维威克和同事们证明,果蝇也有类似的“心灵的眼睛”。

那么,长这么大的大脑意义何在呢?

在果蝇“巡游世界”的过程中,研究人员能观察到果蝇大脑的不同脑区得到激活。然后他们关掉屏幕光线。就像人类一样,果蝇大脑在光线熄灭后,仍能做出相应反应,就像光线不曾熄灭一样。也就是说,它也维持了对周围环境的内部表征。

奇特卡指出,有时更大的大脑的确意味着更高的复杂度,如人类大脑就是这样的例子。但情况并非永远如此,人类总想为自己复杂的大脑抗辩几句。维威克表示,常有人对他说:“果蝇给你钱了吗?”他们想知道这对我们研究人类认知能力有什么意义,“人们觉得这很酷,或者很可爱,”他说道,“但要解释这项工作的重要性、或者你从中学到了什么,还要多花些功夫。”

动物拥有、而人类没有的感觉能力,如对紫外线、红外线、偏振光的觉察能力、或体内自带的“指南针”,本身就足够令人着迷。也许我们不该再研究人类意义上的认知能力了,“我觉得昆虫如此迷人的原因之一就是,它们是如此奇特、如此不同,而且如此不像人类。”奇特卡表示。(叶子)

“我并不是说,这就是认知能力的真相。”维威克解释道。恰恰相反,他认为这些相对简单的回路是认知的基本构件。“我认为哪怕只是实现基本理解,也要花很长时间。但我急得很,我想在自己还活着的时候找到答案。”奇特卡有时也会悲叹这种在其它动物身上寻找类似动物行为的做法。“我认为这有些乏味,也太狭隘了一点。”

美国弗吉尼亚詹尼利亚研究所的维威克•加雅拉曼(Vivek Jayaraman)对果蝇展开了研究。果蝇大脑包含25万个神经元,体积约为蜜蜂的四分之一,“大脑必须解决各种计算问题、才能做出相应行为,”维威克解释道,“复杂行为便会涉及一大堆这类问题。”

更大的大脑可能只是将同样的神经回路多次复制,使大脑的同一种行为有所改进,如更强的记忆能力、更高的敏锐度、更多细节、更高的精细度、反应分辨率更高等,但不一定有新的计算能力、或更高的复杂性。

比如,识别人脸的能力一度被认为是人类独有的能力。但事实证明,只要一个相对简单的神经元回路,就能实现这一点。这也许能解释蜜蜂为何也有识别人脸的能力,“只要几百、或几千个神经元,就能轻松认出100张人脸。”奇特卡指出。

也可能是这种情况:不需要整个大脑都长得更大,只要其中一部分就行。例如,需要离家较远、或捕猎场所较多的动物往往海马体较大,这部分脑区与记忆有关。因此它们可以记住的信息比蜜蜂要多,“如果是这种情况,”奇特卡表示,“大脑增加的可能是信息存储能力,就像一台硬盘更大、但处理器不一定更好的电脑一样。大脑体积增大后,当然可以实现其它功能,但其中有些可能相当无聊。”

神经元的行为方式有点像电线,将电信号从大脑中的一处转移到另一处,可以说是“生物版”的计算机电路板。研究这种回路是理解认知能力的关键,而且在只有几十万个神经元的小型大脑中更容易研究。小型大脑必须在有限空间中施展最大化的计算能力,因此选择将“接线”最少化。

大型动物之所以大脑较大,可能是因为电信号要传播的距离更远。为了让电信号以合理的速度传播,就需要更大的神经元,因为其传播信号速度比小型神经元更快。因此,鲸鱼的大脑和神经元之所以较大,是因为信号要从身体的一端传播到另一端,需要走过很远的距离。

这是因为这朵“花”其实是一个蓝色的塑料盘,中间放了一些糖水,上面还盖了一层透明塑料。这只蜜蜂还算幸运,有一根细线与这朵“花”相连。它只要拉一下这根线,把花拽出来,就可以喝到花蜜了。它也正是这么做的,“我们刚开始做这个拉线实验时,它简直就是个笑话。”伦敦玛丽女王大学的拉尔斯•奇特卡(Lars Chittka)表示,“我第一次看见时,差点连头都笑掉了,实在太搞笑了。”

果蝇能用它小小的大脑做到这一点吗?我们也许不久便会知道答案了,“有一种普遍想法认为,”奇特卡表示,“就因为人类大脑很大,所以你必须有很大的大脑、才能做出聪明的事情。但事实并不是这样。”

这些生物的世界十分复杂,要想在其中存活,就要有一定的认知能力,就连一条简单的、还不足1毫米长、整个神经系统只有302个神经元的线虫,也有基本的学习和记忆能力。刚孵化的线虫如果遇到会散发毒素的埃希氏菌,便会在接下来的四天寿命里,记住要时时避开这种细菌。

例如,他测量的认知能力之一是追踪你在空间中所处的位置,这是对身边世界的一种内部表征。拥有内部表征意味着,如果你所在房间的灯忽然熄灭,你仍然知道自己面朝哪个方向、门位于何处、以及如何到厨房去拿抽屉里的手电筒。你仍能意识到自己与房间中各个物品的相互位置,知道该如何在这个空间中移动。这就像你“心灵的眼睛”。

如今看来,后一个问题的答案是否定的:我们不应该感到吃惊。

事实证明,蜜蜂能够解决问题、相互学习、还会将知识代代相传,但“学会拉线”只是我们最新了解到的蜜蜂技能之一。早在维多利亚时期,蜜蜂和其它社会性昆虫的强大学习能力就有了文件记载。

科学家此前认为,像这样的认知表征只有人类这样的脊椎动物才有,但事实也许并非如此,“这只小小的昆虫能在黑暗中安然若素,并且大脑中对自己的位置有一定概念,这点实在了不起。”维威克表示。

研究人员甚至弄清了各个神经元在这种记忆形成和取回过程中发挥的作用,如果如此微型的大脑能够实现这些认知功能,它们究竟是如何办到的呢?要弄清这一点,我们需要从单个神经元、以及其构成的回路出发。

但科学家对昆虫和其它小型动物的行为了解得越多,就越发现复杂技能并不一定需要较大的大脑,“我们能让这些迷你大脑做出多么惊人的事情呢?”奇特卡问道,“此外,这些长着迷你大脑的生物解开谜题后,我们应该像现在这么吃惊吗?”