Czy możemy policzyć wszystkie komórki plastra miodu? z www.shutterstock.com

Skromna pszczoła miodna może używać symboli do wykonywania podstawowych działań matematycznych, w tym dodawania i odejmowania, wynika z nowych badań opublikowanych dzisiaj w czasopiśmie Postępy nauki.

Pszczoły mają miniaturowe mózgi - ale potrafią nauczyć się podstaw arytmetyki.

{youtube}kCucnmIULGU{/youtube}

Pomimo posiadania mózgu zawierającego mniej niż milion neuronów, pszczoła miodna pokazała niedawno, że potrafi radzić sobie ze złożonymi problemami, takimi jak np zrozumienie pojęcia zera.

Pszczoły miodne są modelem o wysokiej wartości do badania pytań dotyczących neuronauki. W naszym najnowszym badaniu postanowiliśmy sprawdzić, czy potrafią nauczyć się wykonywać proste operacje arytmetyczne, takie jak dodawanie i odejmowanie.

Operacje dodawania i odejmowania

Jako dzieci uczymy się, że symbol plus (+) oznacza, że ​​musimy dodać dwie lub więcej wielkości, a symbol minus (-) oznacza, że ​​musimy odjąć wielkości od siebie.

Aby rozwiązać te problemy, potrzebujemy zarówno pamięci długoterminowej, jak i krótkotrwałej. Wykorzystujemy pamięć roboczą (krótkotrwałą) do zarządzania wartościami liczbowymi podczas wykonywania operacji, a zasady dodawania lub odejmowania przechowujemy w pamięci długotrwałej.

Chociaż umiejętność wykonywania działań arytmetycznych, takich jak dodawanie i odejmowanie, nie jest prosta, jest niezbędna w społeczeństwach ludzkich. Egipcjanie i Babilończycy pokaż dowody na użycie arytmetyki około 2000 roku p.n.e., co przydałoby się – na przykład – do liczenia żywca i obliczania nowych liczb w przypadku wyprzedania bydła.

Ta scena przedstawia liczenie bydła (skopiowane przez egiptologa Lepsiusa). W środkowym rejestrze po lewej stronie znajduje się 835 sztuk bydła rogatego, zaraz za nimi znajduje się około 220 zwierząt, a po prawej 2,235 kóz. W dolnym rejestrze po lewej stronie widzimy 760 osłów, a po prawej 974 kozy. Wikimedia commons, CC BY

Ale czy rozwój myślenia arytmetycznego wymaga dużego mózgu naczelnych, czy też inne zwierzęta napotykają podobne problemy, które umożliwiają im przetwarzanie operacji arytmetycznych? Zbadaliśmy to za pomocą pszczoły miodnej.

Jak trenować pszczołę

Pszczoły miodne są zbieraczami w centralnym miejscu – co oznacza, że ​​pszczoła zbieraczka powróci do miejsca, jeśli lokalizacja zapewnia dobre źródło pożywienia.

Podczas eksperymentów zapewniamy pszczołom wodę z cukrem o wysokim stężeniu, więc pojedyncze pszczoły (wszystkie samice) nadal wracają do eksperymentu, aby zebrać pożywienie dla ula.

W naszym układzie, gdy pszczoła wybierze prawidłową liczbę (patrz poniżej), otrzymuje nagrodę w postaci wody z cukrem. Jeśli dokona złego wyboru, otrzyma gorzki roztwór chininy.

Używamy tej metody, aby nauczyć poszczególne pszczoły, aby nauczyły się dodawania lub odejmowania w ciągu czterech do siedmiu godzin. Za każdym razem, gdy pszczoła się nasyciła, wracała do ula, a następnie wracała do eksperymentu, aby kontynuować naukę.

Dodawanie i odejmowanie u pszczół

Pszczoły miodne były indywidualnie szkolone, aby odwiedzały urządzenie w kształcie labiryntu Y.

Pszczoła wleciałaby do wejścia do labiryntu Y i zobaczyła szereg elementów składających się z od jednego do pięciu kształtów. Kształty (na przykład kształty kwadratowe, ale w rzeczywistych eksperymentach zastosowano wiele opcji kształtów) będą miały jeden z dwóch kolorów. Kolor niebieski oznaczał, że pszczoła musiała wykonać operację dodawania (+1). Gdyby kształty były żółte, pszczoła musiałaby wykonać operację odejmowania (-1).

W przypadku zadania plus lub minus jeden jedna strona zawierałaby niepoprawną odpowiedź, a druga strona zawierałaby poprawną odpowiedź. Strona bodźców była zmieniana losowo w trakcie eksperymentu, tak aby pszczoła nie nauczyła się odwiedzać tylko jednej strony labiryntu Y.

Po obejrzeniu początkowej liczby każda pszczoła przelatywała przez dziurę do komory decyzyjnej, gdzie mogła wybrać lot na lewą lub prawą stronę labiryntu Y, w zależności od operacji, do której została przeszkolona.

Aparat Y-labirynt używany do szkolenia pszczół miodnych. Scarlett Howard

Na początku eksperymentu pszczoły dokonywały losowych wyborów, dopóki nie wymyśliły, jak rozwiązać problem. Ostatecznie, po ponad 100 próbach uczenia się, pszczoły nauczyły się, że niebieski oznacza +1, a żółty -1. Pszczoły mogłyby następnie zastosować zasady do nowych liczb.

Podczas testów z nową liczbą pszczoły poprawnie dodawały i odejmowały jeden pierwiastek w 64-72% przypadków. Wyniki pszczół w testach znacznie różniły się od tego, czego byśmy się spodziewali, gdyby pszczoły wybierały losowo, co nazywa się wydajnością na poziomie szans (50% poprawnych/niepoprawnych)

W ten sposób nasza „szkoła pszczół” w labiryncie Y pozwoliła pszczołom nauczyć się, jak używać operatorów arytmetycznych do dodawania i odejmowania.

Dlaczego jest to złożone pytanie dla pszczół?

Operacje numeryczne, takie jak dodawanie i odejmowanie, są złożonymi pytaniami, ponieważ wymagają dwa poziomy obróbki. Pierwszy poziom wymaga od pszczoły zrozumienia wartości atrybutów liczbowych. Drugi poziom wymaga od pszczoły umysłowego manipulowania atrybutami liczbowymi w pamięci roboczej.

Oprócz tych dwóch procesów pszczoły musiały również wykonywać operacje arytmetyczne w pamięci roboczej – liczba „jeden”, którą należało dodać lub odjąć, nie była wizualnie obecna. Idea plus jeden lub minus „jeden” była raczej abstrakcyjną koncepcją, którą pszczoły musiały rozwiązać w trakcie szkolenia.

Wykazanie, że pszczoła może łączyć proste uczenie się arytmetyczne i symboliczne, zidentyfikowało wiele obszarów badań, które można rozszerzyć, na przykład, czy inne zwierzęta potrafią dodawać i odejmować.

Implikacje dla sztucznej inteligencji i neurobiologii

Istnieje duże zainteresowanie sztuczną inteligencją i tym, jak dobrze komputery mogą umożliwić samodzielne uczenie się nowych problemów.

Nasze nowe odkrycia pokazują, że nauka symbolicznych operatorów arytmetycznych w celu umożliwienia dodawania i odejmowania jest możliwa przy użyciu miniaturowego mózgu. Sugeruje to, że mogą istnieć nowe sposoby włączania interakcji zarówno reguł długoterminowych, jak i pamięci roboczej do projektów w celu poprawy szybkiego uczenia się nowych problemów przez sztuczną inteligencję.

Ponadto nasze odkrycia pokazują, że rozumienie symboli matematycznych jako języka z operatorami jest czymś, co prawdopodobnie może osiągnąć wiele mózgów, i pomaga wyjaśnić, jak wiele ludzkich kultur niezależnie rozwinęło umiejętności liczenia.

O autorze

Scarlett Howard, doktorantka, Uniwersytet RMIT; Adrian Dyer, profesor nadzwyczajny, Uniwersytet RMITi Jair Garcia, pracownik naukowy, Uniwersytet RMIT

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon