科普

粘液霉菌让我们深入了解无神经元生物的智力

2019-09-05 54粘菌粘液霉菌

没有大脑的有机体如何做出决定?生命的大部分是没有大脑的,地球上绝大多数生物都没有神经元。在许多情况下,植物、真菌和细菌都必须在没有简单神经系统帮助的情况下,像人类一样应对同样的问题——在一个复杂多变的世界里做出最佳选择,否则就有死亡的风险。

粘液霉菌让我们深入了解无神经元生物的智力

研究背景

新泽西理工大学(NJIT)、悉尼大学、谢菲尔德大学和利兹大学的一组研究人员最近在单细胞粘液霉菌多头绒泡菌(Physarum polycephalum)中研究了这个问题。多头绒泡菌是一种单细胞生物,可以长到几平方米大小。这种巨细胞通常生活在温带森林中阴凉、凉爽和潮湿的地方,像变形虫一样伸展开来,寻找周围的环境,沿着森林地面伸展出渗出的卷须,寻找真菌、细菌和腐烂的蔬菜。

无论是植物、动物还是真菌,多头畸形杆菌都不太可能成为认知研究的对象,因为它具有惊人的解决问题的能力。在最近的研究中,绒泡菌被证明可以解决迷宫,做出复杂的权衡,预测周期性事件,记住它曾经在哪里,构建与人类工程师设计的交通网络具有类似效率的交通网络,甚至可以做出非理性的决定——这种能力长期以来被认为是大脑回路的副产品。

粘液霉菌让我们深入了解无神经元生物的智力

研究内容

在这项研究中,研究人员使用了一种用于人类、鸟类和其他大脑生物的经典测试来检验粘液霉菌的决策能力:以臭名昭著的老虎机命名的“双臂强盗问题”(two-armed bandit problem),或单臂强盗问题(one-armed bandit)。在一个两臂强盗问题中,受试者有两根杠杆可以拉动,每根杠杆都提供一定的、随机决定的奖励。其中一个杠杆整体上更有可能带来更高的回报,因此参与者面临的挑战是,决定在什么时候停止探索这两种选择,并决定只利用其中一个选项,以最大化他们的回报。这种现象被称为“探索-利用权衡”(explore -剥削权衡),它不仅与老虎机有关,还适用于许多情况,包括投资者选择初创企业作为投资对象,或者司机选择停车位。因此,它已经成为测试人类和其他动物决策能力的经典工具,但它从未在没有大脑的生物体上使用过。

研究人员对粘液霉菌的两臂强盗试验进行了调整,让粘液霉菌可以选择探索两个相反的方向。在每个方向上,粘液霉菌都会遇到不连续的食物块,或多或少是有规律分布的。一个方向会比另一个方向包含更多的补丁。然后,他们观察了粘液霉菌在转向只利用两个方向中的一个之前,会在每个方向上探索多远。这些实验的结果表明,黏液霉菌比较了多种选择的相对质量,最常见的选择方向与较高的总体食物浓度。它能够总结出每个方向上遇到的食物斑块的数量,以及每个斑块上出现的食物数量,从而对下一步应该朝哪个方向移动做出正确和适应性的决定。

粘液霉菌让我们深入了解无神经元生物的智力

无神经元生物的智力

粘菌的决策算法可以被数学地描述为一种利用环境的倾向,这种倾向与它们通过过去采样所获得的回报成正比。该算法的计算复杂度介于简单的、反动的启发式算法和计算密集型的最优性能算法之间,但具有很好的相对性能。

粘菌的合作不断挑战我们对复杂行为所需的最小生物硬件的先入之见,”新泽西理工大学(NJIT)的生物学助理教授Simon Garnier说。

虽然该算法的生物基础仍有待确定,但本研究提供了对决策祖先机制的深入了解,并表明决策的基本原则、信息处理甚至认知在不同的生物系统中是共享的。

引用

New Jersey Institute of Technology. "Slime mold gives insight into intelligence of neuron-less organisms." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 June 2016.
www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160608112930.htm.

上一篇下一篇