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蜜蜂會算術!新研究表明蜜蜂能學會簡單加減法

如果數學是宇宙的語言,蜜蜂可能剛剛說出它們的第一個單詞。一項於2月7日發表在 Science Advances的新研究表明,看起來並不起眼的蜜蜂竟然能夠使用符號演算包括加減法在內的基礎算術。

儘管蜜蜂的大腦只有不到100萬個神經元,非常小。但近期的一些研究發現,它們能夠處理一些較為複雜的問題——比如理解“0”的概念,同時,它們能學會基礎算術。

加減法運算

早在孩童時期,我們便知道一個加號(+)表示我們需要將兩個或更多的數量相加,而減號(-)則意味着我們要用一個數量中減掉另一個數量。

當我們在解決這些問題時,我們需要將長期記憶與短期記憶共同運用。在進行運算時,我們利用短期記憶去處理運算中的具體數值,利用長期記憶儲存加法或減法的運算規則。

儘管學會加減法等運算並不簡單,但這一能力對人類社會而言非常重要。古埃及和古巴比倫的古迹中,在公元前2000年左右便有人類使用算術的證據——如對家畜計數,並在出售後減去相應的數字。

圖|這幅畫(來自埃及古物學家Lepsius的複製版)描繪了對家畜計數的場景。中間一行可以看到左邊有835隻有角家畜,緊隨其後的是約220隻其他動物,右邊有2235隻山羊。最下一行左邊有760隻驢,右邊有974隻山羊。(圖片來源:Wikimedia commons)

但發育出算術思維是否必須要有一個靈長類大腦,抑或是其他動物面對類似問題時也能進行運算?研究人員使用蜜蜂來研究這個問題。

如何訓練蜜蜂

每隻蜜蜂單獨在 Y型迷宮裝置中接受訓練。

當蜜蜂飛到 Y型迷宮的入口時,會看到一排由1到5個形狀組成的圖案。這些形狀(如:正方形)由1到2種顏色組成。藍色意味着蜜蜂需要進行加法運算(+1),黃色意味着蜜蜂要做減法(-1)。

在加減1的任務中,迷宮一邊是不正確的答案,另一邊是正確的答案。在整個實驗過程中,正確答案的位置會隨機改變,這樣蜜蜂就不會學習只訪問 Y型迷宮的一邊。

在瀏覽過初始數字後,每隻蜜蜂會從一個孔里飛到選擇室中,在那裡它可以選擇飛到 y迷宮的左邊或右邊,這取決於它所接受的訓練。

由於蜜蜂是中心位置覓食者(central place foragers),這意味着蜜蜂在覓食後會回到特定中心位置,而後會再次返回食物充足的地點重複覓食。

研究人員的實驗裝置給蜜蜂提供了高濃度糖水,所以工蜂(均為雌性)會不停返回該裝置為蜂巢採集食物。當蜜蜂選擇了正確數字,它將得到糖水獎勵;如果它選錯了,將會得到苦味的奎寧水。

利用這種方法,研究人員在4-7小時不等的時間內教會了蜜蜂加減法運算。每次蜜蜂採集食物後將返回蜂巢,隨後它們還會返回實驗裝置並繼續學習。

圖|用來訓練蜜蜂的 Y型迷宮裝置。(圖片來源:Scarlett Howard)

在實驗的一開始,蜜蜂只會的隨機做出選擇,直到它們發現了解決問題的方法。最終,經過100多次訓練,蜜蜂學會了藍色意味着+1、黃色意味着-1。然後蜜蜂可以將這些規則應用到新的數字上。

在對一個新的數字進行測試時,蜜蜂計算加減1時的正確率在64-72%範圍內,顯著優於蜜蜂隨機做出選擇的正確率(50%正確/50%錯誤)。

因此,研究人員認為 Y型迷宮的“蜜蜂學校”能夠教會蜜蜂如何使用運算符號做加減。

對人工智能及神經生物學的啟示

對於蜜蜂而言,加減法等數學運算是個很複雜的問題,因為運算過程需要兩級處理。第一級要求蜜蜂理解數值屬性,第二級則要求蜜蜂在大腦的工作記憶中操縱數值。

除此之外,蜜蜂還需要在工作記憶中執行算術運算——數字“1”或加或減都不能展現在眼前。或者說,加減“1”的思維過程對於蜜蜂來說,是必須通過訓練才能理解掌握的抽象概念。

在 AI領域火熱的今天,人們對計算機如何自我學習新問題很感興趣。

蜜蜂作為動物模型,在神經科學領域具有很高價值。此次研究表明蜜蜂能夠將簡單的算術和符號學習結合起來,在這表示微型大腦也可以學會使用運算符號進行加減法。或許我們可以設計出使長期法則與工作記憶相結合的新方法、以此來提升 AI在自我學習方面的表現。

同時,研究結果還表明,將數學符號理解為一種帶有運算符的語言,是許多大腦都可能做到的,也有助於解釋許多人類文明如何獨立地發展出了計算能力,啟發了許多有待拓展的研究領域。

阿波羅網責任編輯:夏雨荷 來源: DeepTech深科技 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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