脑袋越大越聪明?来看看那些聪明绝顶的小脑袋动物

2017-02-16 10:17:30 来源: 网易科学人
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许多人曾猜测,动物需要更大的大脑才能完成复杂的任务。但是某些昆虫和蠕虫的行为表明,更小的大脑也有令人吃惊的能力。

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一只大黄峰正在一朵花上盘旋,想要确认花蜜的味道。它徘徊了一小会儿,意识到有些不对劲。这只大黄蜂可以看到花朵,但它却无法接触到它。这是因为,这朵花实际上是蓝色的塑料盘,中心部位放了糖水。而且,这朵花被掩藏在透明塑料下面。幸运的是,有绳子连接到花朵上。大黄蜂要做的就是拉动绳子,将花拽上来,然后获得奖励。这只大黄蜂的确这样做了。

英国伦敦大学玛丽皇后学院的拉尔斯·切特卡(Lars Chittka)说:“当我们最初开始拉绳试验时,我感到很好笑,因为那看起来十分滑稽。”但是随后,切特卡变得严肃起来。当大黄蜂确认它要做什么才能接触到人造花朵后,其他同类也会从它身上学会拉绳取花的技巧,甚至它们的技巧比原来的那只大黄蜂更娴熟。即使发现这种方法的大黄蜂死去,这种技巧依然在蜂群中继承下来。

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图:大黄蜂堪称是专家级导游和问题解决者

切特卡说:“我简直无法相信自己看到的场景。”原来,蜜蜂也可以通过互相学习,并将知识世代相传的方式来解决问题。切特卡的实验室曾在20世纪90年代进行过实验,他们想要弄清楚蜜蜂是否能够数数,结果显示它们的确拥有数学天赋。学习拉绳只是我们现在已经知道的蜜蜂的绝技之一。自从维多利亚时代以来,蜜蜂和其他社会性昆虫拥有的惊人学习能力已多次被记录下来。

查尔斯·达尔文(Charles Darwi)曾说过,学习可发生在各个族群中。他注意到,看到大黄蜂提取花蜜,蜜蜂可以从中学到新的方法。蜜蜂还能学习识别颜色和图案。它们能在数公里外找到回家的路吗?没有问题。它们能识别人脸吗?完全可以。蜜蜂能实用工具吗?这是切特卡想要找到的答案。

切特卡说:“开始的时候,我们对此感到怀疑,蜜蜂那么小的大脑中能储存多少智慧?”许多人可能认为,只用拥有更大的大脑才能支持复杂的行为。毕竟,人类拥有异常巨大的大脑,包含有860以个神经元,我们也是超级聪明的物种,这两个特征之间肯定存在联系。

但是更多研究昆虫和其他小型动物的科学家发现,掌握复杂技能并不一定需要很大的脑容量。切特卡问道:“这些小动物的大脑能做到哪些令人惊讶的事情?当它们解决复杂的谜题时我们应该感到惊讶吗?现在看来,对于第二个问题,我们应该给出否定答案。”

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图:蜻蜓拥有令人惊讶的能力

举例来说,蜻蜓可以在空中穿梭,捕捉蚊子、飞蛾、蝴蝶甚至其他蜻蜓。与蜻蜓外表相比,这似乎是个相当困难的任务,因为不同的猎物有自己独特的飞行模式。蜻蜓必须观察其猎物如何飞行,并预测其可能的飞行轨迹,然后开始行动,在空中对猎物进行拦截。这需要它们的动作保持灵活,同时进行规划。

与此同时,蜜蜂能够飞到距离巢穴10公里远的地方采蜜,尽管那需要穿过杂乱的树林和其他地标建筑。它们必须找到最好的花才能够获得最大的回报,同时记住这些花的所在位置。它们还必须要躲过天敌的围追堵截,重新找到回家的路。此后,它们会与其他蜜蜂进行复杂的社会互动。这些动物拥有复杂的世界,需要认知能力才能生存下来。

即使简单的线虫——体长不到1毫米,整个神经系统只有302个神经元,依然拥有基本的学习和记忆能力。刚刚出生的小线虫遇到释放毒素的大肠杆菌后,它们会记住在其余4天寿命中尽量躲避这种微生物。研究人员甚至已经发现,哪个神经元负责形成这种记忆,以备后来检索。

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图:即使线虫也有用学习和记忆的能力

如果这种微小的大脑能够完成认知任务,它们到底是如何做到的?为了寻找这个问题的答案,我们需要深入了解单个神经元以及它们形成的电路。神经元有点儿像电线,可将电子信号从大脑的某个区域送到其他区域。它们堪称是生物版的计算机电路板。研究这种线路是理解认知的关键,与拥有数十亿神经元的大脑相比,研究只有数百乃至数千神经元的微小大脑显然更容易。微小大脑必须将最大的计算能力装入狭小空间,以便于它们进化出最小的布线解决方案。

弗吉尼亚州Janelia研究院的维维科·杰亚拉曼(Vivek Jayaraman)专门研究果蝇。果蝇的大脑中有25万个神经元,但其大脑体积只有蜜蜂大脑的1/4。杰亚拉曼解释说:“大脑肯定需要解决计算问题,以便驱动行为展开。而复杂的行为涉及解决一堆这样的问题。”杰亚拉曼希望理解动物行为背后的潜在机制,比如大脑如何认知?为此,他需要搞清楚:当行为展开时,神经元在做什么?

但是我们能够进入果蝇的大脑,并倾听它们在想些什么吗?从某种程度上说,可以。有很多强大的研究工具可以帮助杰亚拉曼选择开关果蝇大脑的不同区域,然后实时观察它们的神经元活动。举例来说,衡量认知的一种方法是保持追踪你在空间中的位置,即你周围世界的内部表征。这些内部表征意味着,你所在的房间的灯突然熄灭,但你依然能够找准门锁在方向。或者手电筒放在抽屉中时,你依然知道如何进入厨房。相对于房间中的物体来说,你可以保持身体位置的意识,并知道如何在这个空间里移动,这就像是你的心灵之眼。

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图:2015年,杰亚拉曼曾与同事们展示,果蝇也拥有类似的“心灵之眼”

科学家们使用了一种技术,当果蝇在虚拟现实世界中飞行时,可以让他们实时看到果蝇单个神经元细胞的开关情况。果蝇站在微型跑步机上(世界上是个滚动球),果蝇可以前进、停止或向任何方向移动。同时跑步机周围有屏幕环绕,就行果蝇版的《黑客帝国》,研究人员可以投射光线。

当果蝇在球上走来走去时,屏幕上的光线也会随之移动,好像果蝇在现实世界中活动。因此,如果果蝇向左移动,屏幕中的世界相应地就会向右移动。当果蝇在这个世界徘徊时,研究人员就能观察到果蝇大脑不同部分是否被激活。当他们关闭灯光时,就像人类那样,果蝇的大脑会继续做出正确反应,依然维持着其周围环境的内在表现。

此前,像这样的认知表征只被认为会出现在类似人类的高级生命体上,但实际情况可能并非如此。杰亚拉曼表示:“事实上,果蝇这种小动物尽管身处黑暗中,但其大脑中依然产生有关位置的图像,而且相当精确。”

下一步就是找出这种内部表征是否具有灵活性。如果你的室友告诉你,他已经将手电筒从厨房拿到卧室,你的内在表征也必须随之改变,以适应新的信息。杰亚拉曼说:“对于我来说,这就像认知积木。这种能力是基于内部表征和记忆做出的规划,而非仅仅是回应我们现在所看到的场景。”

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图:你记得将手电筒放在哪里了吗?

果蝇能用它们微小的大脑做同样的事情吗?切特卡说:“普遍看法是,由于我们拥有更大的大脑,而为了更聪明地做事,你就需要更大的大脑。但在这里,这种认知可能被颠覆。”举例来说,识别脸部的能力曾被视为人类独有的能力。但实际上,它只需要相当简单的神经回路即可,这或许可解释为何蜜蜂都能识别人脸。切特卡说:“即使只有数百或数千个神经元,你也能够轻易识别出数以百计的人脸。”

既然微小的大脑也能完成复杂的任务,那么为何还需要更大的大脑呢?

大型动物拥有更大的大脑的可能原因是,电子信号可能需要传输更远的距离。要想信号能以合理的速度传输,你就需要更大的神经网络,因为其可以更快递传输信号。为此鲸鱼拥有更大的大脑和更大的圣经网络,因为从信号从头到脚可能要走很远的距离。

当然,也可能并非整个大脑需要变得更大,只是部分大脑变大。举例来说,那些活动范围较大的动物,或在数以千计的地方寻找食物的动物,往往拥有相对较大的海马体,这个大脑区域与记忆有关。它们可以比蜜蜂记住更多事情。切特卡说:“在这种情况下,大脑容量的增加只是为了增加储量,就像电脑配备更大的硬盘那样,而不一定要配更好的处理器。有些动物拥有更大的大脑,但反应却相当慢,里面可能包括许多相当无聊的东西。”

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图:克氏星鸦(Clark's nutcracker)可以记住自己将食物储藏在哪里

更大的大脑可能只是一遍遍地复制相同的回路,给与你更多相同的行为能力,比如更大的储存容量、更高的敏捷性、更详细、更精准、更精细的反应解决方案等,但它们不一定是全新的计算或复杂层。切特卡指出,有时候,更大的大脑的确意味着更多的容量,就像我们的大脑那样,但它并非总是如此。

人类往往对自己拥有更大的复杂大脑感到沾沾自喜。杰亚拉曼说,人们常常对他说:“等等,你靠与果蝇共同工作赚钱吗?”他们想要知道,这能教授我们有关人类认知的哪些知识。他说:“人们认为这很酷,但需要更多工作才能解释为何它如此重要,以及你到底能学到什么。”

杰亚拉曼的工作提供的信息实际上非常直接:如果你想了解某样复杂的东西如何工作,那么请先从简单的开始。在这里,“简单”只是相对来说,因为盛景园以及它们的连接系统绝不简单。杰亚拉曼说:“至少从数量上看,果蝇大脑中的神经元更少。但其十分紧凑,我能同时看到许多。我有工具来操控它们,并随意观察不同的部分。”

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图:人类大脑,大小并不能决定一切

也正因为如此,杰亚拉曼能够解决更大大脑无法解决的机械性问题。他说:“我绝不认为这是认知的终结,相反,我正研究的简单回路正是建立认知的基石。我认为,基础水平上的理解需要花费很长时间,但我很忙,我希望能在我有生之年找到答案。”

切特卡有时候也感叹,不该痴迷于在其他动物身上寻找类似人类的能力。他说:“我发现那有点儿单调,也过于狭隘!”昆虫具有的很多感官能力人类却没有,比如对紫外线、红外线或极化光非常敏感,或通过内部磁场导航等。或许我们可以放下对人类认知能力的感叹。切特卡说:“我之所以发现昆虫如此迷人,一个原因是它们如此怪异、与众不同、有别于人类。”

王真 本文来源:网易科学人 责任编辑:王真_NT5228
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