新的研究显示蜜蜂可以添加和减去

新的研究显示蜜蜂可以添加和减去 我们可以计算所有蜂窝单元吗? 从www.shutterstock.com

卑微的蜜蜂可以使用符号来执行基本的数学运算,包括加法和减法,这显示了今天发表在期刊上的新研究 科学进展.

蜜蜂有微型大脑 - 但他们可以学习基本的算术。

尽管大脑含有不到一百万个神经元,但蜜蜂最近表明它可以解决复杂的问题 - 比如说 理解零的概念.

蜜蜂是探索神经科学问题的高价值模型。 在我们的最新研究中,我们决定测试他们是否可以学习执行简单的算术运算,例如加法和减法。

加法和减法运算

作为孩子,我们知道加号(+)表示我们必须添加两个或更多个数量,而减号( - )表示我们必须相互减去数量。

要解决这些问题,我们需要长期和短期记忆。 我们使用工作(短期)内存来管理执行操作时的数值,并存储在长期内存中添加或减去的规则。


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尽管增加和减少等算术的能力并不简单,但它在人类社会中至关重要。 埃及人和巴比伦人 显示使用算术的证据 在2000BCE周围,例如,当牲畜被卖掉时,可以计算实际存量并计算新数字。

环境 这个场景描绘了牛的数量(由埃及学家Lepsius复制)。 在中间的登记册中,我们看到左边是835角牛,右边是一些220动物和右边的2,235山羊。 在底部寄存器中,我们在左侧看到760驴,在右侧看到974山羊。 维基共享资源, CC BY

但算术思维的发展是否需要一个大的灵长类大脑,或者其他动物是否面临类似的问题,使他们能够处理算术运算? 我们用蜜蜂探索了这个。

如何训练蜜蜂

蜜蜂是中心觅食者 - 这意味着如果该位置提供良好的食物来源,觅食蜜蜂将返回一个地方。

我们在实验期间为蜜蜂提供高浓度的糖水,因此个体蜜蜂(所有雌性)继续回到实验中为蜂巢收集营养。

在我们的设置中,当蜜蜂选择正确的数字(见下文)时,她会获得糖水奖励。 如果她做出了错误的选择,她将会收到一种苦味的奎宁解决方案。

我们使用这种方法教个体蜜蜂在四到七个小时内学习加法或减法的任务。 每次蜜蜂变满,她就回到蜂巢,然后回到实验继续学习。

蜜蜂的加法和减法

对蜜蜂进行单独训练以访问Y形迷宫形装置。

蜜蜂将飞入Y迷宫的入口,并观察由一至五个形状组成的一系列元素。 形状(例如:方形,但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。 蓝色意味着蜜蜂必须执行添加操作(+ 1)。 如果形状为黄色,则蜜蜂必须执行减法操作( - 1)。

对于加号或减号的任务,一方将包含不正确的答案而另一方将包含正确的答案。 在整个实验中,刺激的一侧随机改变,因此蜜蜂不会学会只访问Y迷宫的一侧。

在查看初始数字之后,每只蜜蜂将通过一个洞进入决策室,在那里它可以选择根据她训练的操作选择飞到Y迷宫的左侧或右侧。

环境 用于训练蜜蜂的Y迷宫装置。 斯嘉丽霍华德

在实验开始时,蜜蜂做出随机选择,直到他们能够找到解决问题的方法。 最终,通过100学习试验,蜜蜂了解到蓝色意味着+ 1而黄色意味着-1。 然后,蜜蜂可以将规则应用于新数字。

在使用新数字进行测试期间,蜜蜂在一个元素64-72%的加法和减法中是正确的。 如果蜜蜂随机选择,蜜蜂在测试中的表现与我们预期的显着不同,称为机会水平表现(50%正确/不正确)

因此,我们在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。

为什么这对蜜蜂来说是一个复杂的问题?

加法和减法等数值运算是复杂的问题,因为它们需要 两级处理。 第一级要求蜜蜂理解数值属性的价值。 第二级要求蜜蜂在工作记忆中精神操纵数字属性。

除了这两个过程之外,蜜蜂还必须在工作记忆中执行算术运算 - 要添加或减去的数字“一”在视觉上不存在。 相反,加一或减“一”的想法是蜜蜂必须在训练过程中解决的抽象概念。

显示蜜蜂可以结合简单的算术和符号学习已经确定了许多研究领域,例如其他动物是否可以加减。

人工智能和神经生物学的意义

人工智能很受关注,计算机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可以通过微型大脑实现加法和减法。 这表明可能有新的方法将长期规则和工作记忆的相互作用纳入设计中,以改善对新问题的快速AI学习。

此外,我们的研究结果表明,将数学符号理解为运算符的语言是许多大脑可能实现的,并且有助于解释有多少人类文化独立开发的计算技能。

关于作者

Scarlett Howard,博士候选人, 皇家墨尔本理工大学; Adrian Dyer,副教授, 皇家墨尔本理工大学和研究员Jair Garcia, 皇家墨尔本理工大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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