來(lái)源：沙發(fā)科學(xué)
算術(shù)思維的發(fā)展是否需要一個(gè)像靈長(zhǎng)類(lèi)大腦那樣大尺寸的大腦？其他動(dòng)物是否也面臨類(lèi)似的問(wèn)題，從而使他們也能夠進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算？于是我們用蜜蜂做實(shí)驗(yàn)，探索了這個(gè)問(wèn)題。
最近發(fā)表在《Science Advances》雜志上的一項(xiàng)新研究顯示：小小的蜜蜂竟然可以使用符號(hào)來(lái)進(jìn)行基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括加法和減法。
蜜蜂的大腦十分微小，但他們可以學(xué)習(xí)基本的算術(shù)
盡管蜜蜂只擁有不到一百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的大腦，最近的研究卻表明蜜蜂可以解決復(fù)雜的問(wèn)題——比如理解零概念。
蜜蜂一直是探索神經(jīng)科學(xué)問(wèn)題的高價(jià)值模型。在我們的最新研究中，我們決定測(cè)試他們是否可以學(xué)習(xí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算，比如加法和減法。
加法和減法運(yùn)算
當(dāng)我們還是孩子的時(shí)候，我們就知道加號(hào)（+）表示我們必須添加更多的數(shù)量，而減號(hào)（- ）表示我們必須減去一些數(shù)量。
為了解決這些問(wèn)題，我們必須要有長(zhǎng)期和短期記憶。在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)我們使用工作（短期）記憶（work memory）來(lái)管理數(shù)值，在記憶那些加減法則的時(shí)候我們會(huì)用到長(zhǎng)期記憶（long-term memory）。
盡管加法和減法等運(yùn)算的能力并不簡(jiǎn)單，但它在人類(lèi)社會(huì)中至關(guān)重要。有證據(jù)顯示，在公元前2000年埃及人和巴比倫人已經(jīng)在使用算術(shù)了，比如說(shuō)，當(dāng)他們賣(mài)掉了一些家畜的時(shí)候，他們會(huì)用算術(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)家畜的新數(shù)量。
這個(gè)場(chǎng)景描繪了家畜的數(shù)量（由埃及學(xué)家Lepsius復(fù)制）。 圖片來(lái)源：Wikimedia commons
但算術(shù)思維的發(fā)展是否需要一個(gè)像靈長(zhǎng)類(lèi)大腦那樣大尺寸的大腦呢，其他動(dòng)物是否也面臨類(lèi)似的問(wèn)題，從而使他們也能夠進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算呢？于是我們用蜜蜂做實(shí)驗(yàn)，探索了這個(gè)問(wèn)題。
如何訓(xùn)練蜜蜂
蜜蜂是中心覓食者，這意味著如果某個(gè)地方能夠提供良好的食物來(lái)源，覓食中的蜜蜂就會(huì)返回這個(gè)地方。
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)期間為蜜蜂提供高濃度的糖水，因此個(gè)體蜜蜂（所有雌性）就持續(xù)不斷地回到實(shí)驗(yàn)中為蜂巢收集營(yíng)養(yǎng)。
在我們的設(shè)置中，當(dāng)蜜蜂選擇了正確的的數(shù)字（見(jiàn)下文）時(shí)，她會(huì)獲得糖水獎(jiǎng)勵(lì)。如果她做出了錯(cuò)誤的選擇，她就會(huì)收到一種苦味的奎寧水。
我們使用這種方法在四到七個(gè)小時(shí)內(nèi)教蜜蜂學(xué)習(xí)加法或減法。每次蜜蜂吸滿(mǎn)了糖水，她就回到蜂巢，然后再繼續(xù)回到實(shí)驗(yàn)的地方學(xué)習(xí)。
蜜蜂的加法和減法
我們讓蜜蜂在一個(gè)Y形的迷宮形裝置里進(jìn)行單獨(dú)訓(xùn)練。
蜜蜂飛到Y(jié)型迷宮的入口處，先觀察迷宮門(mén)口由一到五個(gè)形狀組成的一系列元素，這些形狀可能是方形或者其他形狀。這些元素有兩種顏色，要么是藍(lán)色的，要么是黃色的，藍(lán)色意味著蜜蜂必須進(jìn)行加法運(yùn)算（+1）。如果是黃色，蜜蜂就要進(jìn)行減法運(yùn)算（-1）。
不管任務(wù)是加法還是減法，迷宮都是一側(cè)設(shè)置為正確答案，另一側(cè)設(shè)置為不正確答案。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，正確答案位于哪一側(cè)會(huì)隨機(jī)決定，因此蜜蜂不會(huì)只學(xué)會(huì)飛向Y型迷宮的某一側(cè)。
在觀察完初始數(shù)字之后，每只蜜蜂將通過(guò)一個(gè)洞進(jìn)入迷宮，在那里她可以根據(jù)自己受到的訓(xùn)練來(lái)選擇飛到Y(jié)型迷宮的左側(cè)或右側(cè)。
用于訓(xùn)練蜜蜂的Y迷宮裝置，（A）減法和（B）加法 Scarlett Howard
在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，蜜蜂會(huì)做出隨機(jī)選擇，直到他們能夠找到解決問(wèn)題的方法。最終，在超過(guò)100次學(xué)習(xí)之后，蜜蜂終于明白藍(lán)色意味著+1，而黃色意味著-1。然后，蜜蜂就可以將規(guī)則應(yīng)用于新數(shù)字。
在使用新數(shù)字進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，對(duì)于一種元素的加減法，受過(guò)訓(xùn)練的蜜蜂在64-72％的時(shí)間里都是對(duì)的。如果蜜蜂是被隨機(jī)選擇的，那么他們?cè)跍y(cè)試中的表現(xiàn)就會(huì)與我們的預(yù)期明顯不同，我們稱(chēng)之為機(jī)會(huì)水平表現(xiàn)（50％正確/不正確）。
因此，我們?cè)?“蜜蜂學(xué)?！钡腨迷宮中的是允許蜜蜂學(xué)習(xí)如何使用算術(shù)運(yùn)算符來(lái)進(jìn)行加或減。
為什么這對(duì)蜜蜂來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題？
加減法這種數(shù)字運(yùn)算對(duì)于蜜蜂來(lái)說(shuō)之所以是復(fù)雜的問(wèn)題，是因?yàn)檫@種運(yùn)算需要二級(jí)處理。第一級(jí)要求蜜蜂理解數(shù)值屬性的價(jià)值。第二級(jí)要求蜜蜂用工作記憶對(duì)數(shù)字屬性進(jìn)行心算。
除了這兩個(gè)過(guò)程之外，蜜蜂還必須在工作記憶中進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算——加上或者減去的數(shù)字“一”的行為，在視覺(jué)上是不存在的。當(dāng)然，加一或減“一”的想法是蜜蜂在訓(xùn)練過(guò)程中必須解決的抽象概念。
蜜蜂不僅會(huì)做數(shù)學(xué)題，他們的窩從外觀上看也明顯具有數(shù)學(xué)特征，一排排完美的六邊形組成了一個(gè)整齊的二維陣列。蜂窩里的六邊形就是一個(gè)個(gè)小房間，每個(gè)房間可以容納一個(gè)蜂蛹，也可以?xún)?chǔ)存蜂蜜。它的內(nèi)部是一個(gè)個(gè)幾乎相同的六邊形腔室，結(jié)構(gòu)非常優(yōu)美。
普通蜜蜂一般沿垂直方向建造蜂窩，六邊形巢穴是水平朝向的，而黃蜂則沿著水平方向建造蜂窩，六邊形巢穴是垂直朝向的。
乍一看，就像一項(xiàng)驚人的工程。但這里有一個(gè)訣竅，即“密堆積”。如果把大量形狀相同的圓形物體（例如硬幣）放到桌子上，然后搖晃桌子，讓這些物體盡量擠成一團(tuán)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些物體排成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這些蜂窩狀結(jié)構(gòu)不是絕對(duì)規(guī)整的，蜜蜂的蜂窩同樣不太規(guī)整。大約100年前，數(shù)學(xué)家證明了蜂窩體現(xiàn)了圖形形成的一個(gè)重要特征：同一個(gè)基本單元被反復(fù)應(yīng)用，6個(gè)圓正好可以包圍一個(gè)同樣大小的圓。蜂窩是將近似圓形的圖形緊密結(jié)合在一起的一種有效方法，大自然在很多時(shí)候都要借用這個(gè)方法，因此六邊形和與之相關(guān)的蜂窩在物理學(xué)和生物學(xué)的圖形形成中都扮演著重要角色。
現(xiàn)在，蜜蜂在數(shù)學(xué)領(lǐng)域也大顯身手，蜜蜂可以將簡(jiǎn)單的算術(shù)和符號(hào)學(xué)習(xí)進(jìn)行結(jié)合的研究已經(jīng)被許多研究領(lǐng)域確定并擴(kuò)展出更多的研究，比如其他動(dòng)物是否可以做加減法呢。
對(duì)于人工智能和神經(jīng)生物學(xué)的意義
人工智能以及計(jì)算機(jī)能夠在多大程度上實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)的問(wèn)題一直備受關(guān)注，我們的新發(fā)現(xiàn)表明，像蜜蜂一樣的微型大腦也可以通過(guò)學(xué)習(xí)符號(hào)運(yùn)算來(lái)做加減法，這暗意味著，可能會(huì)有新的方法將長(zhǎng)期規(guī)則和工作記憶的交互作用結(jié)合到設(shè)計(jì)中，以改善人工智能快速學(xué)習(xí)新問(wèn)題的能力。
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