新的研究顯示蜜蜂可以添加和減去

新的研究顯示蜜蜂可以添加和減去 我們可以計算所有蜂窩單元嗎? 來自www.shutterstock.com

卑微的蜜蜂可以使用符號來執行基本的數學運算,包括加法和減法,這顯示了今天發表在期刊上的新研究 科學進展.

蜜蜂有微型大腦 - 但他們可以學習基本的算術。

儘管大腦含有不到一百萬個神經元,但蜜蜂最近表明它可以解決複雜的問題 - 比如說 理解零的概念.

蜜蜂是探索神經科學問題的高價值模型。 在我們的最新研究中,我們決定測試他們是否可以學習執行簡單的算術運算,例如加法和減法。

加法和減法運算

作為孩子,我們知道加號(+)表示我們必須添加兩個或更多個數量,而減號( - )表示我們必須相互減去數量。

要解決這些問題,我們需要長期和短期記憶。 我們使用工作(短期)內存來管理執行操作時的數值,並存儲在長期內存中添加或減去的規則。


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儘管增加和減少等算術的能力並不簡單,但它在人類社會中至關重要。 埃及人和巴比倫人 顯示使用算術的證據 在2000BCE周圍,例如,當牲畜被賣掉時,可以計算實際存量併計算新數字。

環境 這個場景描繪了牛的數量(由埃及學家Lepsius複製)。 在中間的登記冊中,我們看到左邊是835角牛,右邊是一些220動物和右邊的2,235山羊。 在底部寄存器中,我們在左側看到760驢,在右側看到974山羊。 維基媒體公地, CC BY

但算術思維的發展是否需要一個大的靈長類大腦,或者其他動物是否面臨類似的問題,使他們能夠處理算術運算? 我們用蜜蜂探索了這個。

如何訓練蜜蜂

蜜蜂是中心覓食者 - 這意味著如果該位置提供良好的食物來源,覓食蜜蜂將返回一個地方。

我們在實驗期間為蜜蜂提供高濃度的糖水,因此個體蜜蜂(所有雌性)繼續回到實驗中為蜂巢收集營養。

在我們的設置中,當蜜蜂選擇正確的數字(見下文)時,她會獲得糖水獎勵。 如果她做出了錯誤的選擇,她將會收到一種苦味的奎寧解決方案。

我們使用這種方法教個體蜜蜂在四到七個小時內學習加法或減法的任務。 每次蜜蜂變滿,她就回到蜂巢,然後回到實驗繼續學習。

蜜蜂的加法和減法

對蜜蜂進行單獨訓練以訪問Y形迷宮形裝置。

蜜蜂將飛入Y迷宮的入口,並觀察由一至五個形狀組成的一系列元素。 形狀(例如:方形,但在實際實驗中使用了許多形狀選項)將是兩種顏色中的一種。 藍色意味著蜜蜂必須執行添加操作(+ 1)。 如果形狀為黃色,則蜜蜂必須執行減法操作( - 1)。

對於加號或減號的任務,一方將包含不正確的答案而另一方將包含正確的答案。 在整個實驗中,刺激的一側隨機改變,因此蜜蜂不會學會只訪問Y迷宮的一側。

在查看初始數字之後,每隻蜜蜂將通過一個洞進入決策室,在那裡它可以選擇根據她訓練的操作選擇飛到Y迷宮的左側或右側。

環境 用於訓練蜜蜂的Y迷宮裝置。 斯嘉麗霍華德

在實驗開始時,蜜蜂做出隨機選擇,直到他們能夠找到解決問題的方法。 最終,通過100學習試驗,蜜蜂了解到藍色意味著+ 1而黃色意味著-1。 然後,蜜蜂可以將規則應用於新數字。

在使用新數字進行測試期間,蜜蜂在一個元素64-72%的加法和減法中是正確的。 如果蜜蜂隨機選擇,蜜蜂在測試中的表現與我們預期的顯著不同,稱為機會水平表現(50%正確/不正確)

因此,我們在Y迷宮中的“蜜蜂學校”允許蜜蜂學習如何使用算術運算符來加或減。

為什麼這對蜜蜂來說是一個複雜的問題?

加法和減法等數值運算是複雜的問題,因為它們需要 兩級處理。 第一級要求蜜蜂理解數值屬性的價值。 第二級要求蜜蜂在工作記憶中精神操縱數字屬性。

除了這兩個過程之外,蜜蜂還必須在工作記憶中執行算術運算 - 要添加或減去的數字“一”在視覺上不存在。 相反,加一或減“一”的想法是蜜蜂必須在訓練過程中解決的抽象概念。

顯示蜜蜂可以結合簡單的算術和符號學習已經確定了許多研究領域,例如其他動物是否可以加減。

人工智能和神經生物學的意義

人工智能很受關注,計算機如何能夠自我學習新的問題。

我們的新發現表明,學習符號算術運算符可以通過微型大腦實現加法和減法。 這表明可能有新的方法將長期規則和工作記憶的相互作用納入設計中,以改善對新問題的快速AI學習。

此外,我們的研究結果表明,將數學符號理解為運算符的語言是許多大腦可能實現的,並且有助於解釋有多少人類文化獨立開發的計算技能。

關於作者

Scarlett Howard,博士候選人, RMIT大學; Adrian Dyer,副教授, RMIT大學和研究員Jair Garcia, RMIT大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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