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新的研究表明蜜蜂可以做数学题

科技 2019-12-24 13:08:55

今天发表在“科学进步”杂志上的一项新研究显示,这种谦逊的蜜蜂可以使用符号来进行基本的数学运算,包括加法和减法。

尽管蜜蜂的大脑中含有不到一百万个神经元,但它最近已经证明它能够处理复杂的问题--比如理解零的概念。

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蜜蜂是探索神经科学问题的一种高价值模式。在我们最新的研究中,我们决定测试是否能学会执行简单的算术运算,如加法和减法。

作为孩子,我们了解到加号()意味着我们必须加两个或两个以上的量,而减号(-)意味着我们必须互相减去量。

要解决这些问题,我们既需要长期记忆,也需要短期记忆.在执行操作时,我们使用工作(短期)内存来管理数值,并在长期内存中存储用于加或减的规则。

虽然像加法和减法这样的算术运算能力并不简单,但它在人类社会中是至关重要的。埃及人和巴比伦人展示了大约公元前2000年使用算术的证据,例如,当牛被卖掉时,计算活牲畜和计算新的数字是有用的。

但是,算术思维的发展是否需要大灵长类大脑,或者其他动物是否面临类似的问题,使它们能够进行算术运算?我们用蜜蜂来探索这个。

蜜蜂是觅食的中心--这意味着,如果地点提供了一个好的食物来源,一只觅食的蜜蜂就会返回一个地方。

在实验期间,我们为蜜蜂提供高浓度的糖水,因此个体蜜蜂(全部为雌性)继续返回实验,为蜂巢收集营养。

在我们的设置中,当蜜蜂选择一个正确的数字(见下文)时,她会得到一份糖水奖励。如果她做错了选择,她将得到苦味奎宁溶液。

我们使用这种方法来教导个体蜜蜂在四到七小时内学习加法或减法的任务。每次蜂拥而至,她又回到了蜂房里,然后又回到了实验,继续学习。

蜜蜂被单独训练以访问Y-迷宫成形设备。

蜜蜂会飞入Y迷宫的入口,观察一组由一至五种形状组成的元素。形状(例如:正方形形状,但是在实际实验中使用了许多形状选项)将是两种颜色中的一种。蓝色表示蜜蜂必须执行加法运算(+1)。如果形状为黄色,则蜂将不得不执行减法操作(-1)。

对于正负一的任务,一方将包含一个不正确的答案,另一方将包含正确的答案。在整个实验过程中,刺激的一侧被随机改变,这样蜜蜂就不会学会只访问Y迷宫的一侧。

看完最初的数字后,每只蜜蜂都会通过一个洞飞进一个决策室,在那里它可以选择飞到Y迷宫的左边或右边,这取决于她接受训练的操作。

在实验开始时,蜜蜂做出了随机选择,直到他们能够解决如何解决这个问题。最终,在100次学习试验中,蜜蜂知道蓝色意味着+1,而黄色意味着-1。然后,蜜蜂可以将规则应用于新的数字。

在测试一个新的数字,蜜蜂是正确的加减一个元素64-72%的时间。蜜蜂在测试中的表现与我们预期的有很大的不同,如果蜜蜂是随机选择的,称为机会级表现(50%正确/不正确)。

因此,我们的Y迷宫中的“蜜蜂学校”允许蜜蜂学习如何使用算术运算符来加或减。

诸如加法和减法之类的数值操作是复杂的问题,因为它们需要两级处理。第一个级别要求用户理解数字属性的值。第二级要求蜜蜂在工作记忆中在心理上操纵数值属性。

除了这两个过程外,蜜蜂还必须在工作记忆中执行算术操作-要添加或减去的数字“1”在视觉上不存在。相反,加一或减一的想法是一个抽象的概念,蜜蜂必须在培训过程中解决。

显示蜜蜂可以将简单的算术和符号学习结合起来,已经确定了许多要扩展到的研究领域,例如其他动物是否可以加减。

人工智能有很多的兴趣,计算机可以如何能够自我学习新的问题。

我们的新发现表明,学习符号算术运算符使加法和减法成为可能。这表明可能有新的方法将长期规则和工作记忆的交互作用纳入设计中,以提高对新问题的快速人工智能学习。

此外,我们的发现表明,将数学符号理解为一种有运算符的语言是许多大脑可能能够做到的事情,并有助于解释有多少人类文化独立地发展了计算技能。

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