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蜜蜂能够认出你

时间: 2014年04月09日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
传统观点认为,只有拥有哺乳动物那样复杂大脑的生物,才具有识别面孔的能力。但科学家最近发现,某些昆虫也能完成这项任务。

 

院子里嗡嗡作响的胡蜂(paper wasp)和蜜蜂,看起来不过是“头脑简单”的生物。它们修巢筑穴,采花食蜜,养活后代,最后死亡。一年或更短的时间之后,它们的生命就会终结。然而,这些低等动物至少在一种认知技能上,可与人类及其他灵长类动物相媲美——它们能认出同伴的脸。 具体来讲,一只胡蜂(paper wasp)能感知并记忆另一只胡蜂的面部特征,当它们再次碰面时,能通过回忆,认出对方。就像人类通过熟悉和记住亲人、朋友、同事的面孔,建立起稳定的人际关系一样。另外,某些生来并不具有面孔识别能力的野生昆虫,经过训练后,也能记住同伴的脸,有时甚至还能分辨出人类的面孔。

 

一个颇为流行的理论认为,人类之所以进化出了容量很大的大脑,是因为在复杂的人类社会中,人们必须要熟悉并记住很多人。但一些研究表明,脑容量不足人类万分之一的生物,居然也能识别不同的个体。

 

这一发现让科学家不得不思考,这些小小的昆虫是如何进化出这种惊天技能的,昆虫的哪些脑区负责控制脸部识别。后一个问题尤其关键,如果能搞清楚,将有助于软件设计师设计出更好的自动人脸识别系统。 

 

意外发现 

许多科学发现都源于偶然,科学家发现胡蜂能区分不同个体也是如此——这个发现来自一个有些侥幸的事件。那是2001年,当时我们研究团队的蒂贝茨还只是一名年轻的研究生,正专注于研究纸巢胡蜂(Polistes fuscatus,胡蜂的一种)的社会生活。为了进行这项研究,蒂贝茨需要给纸巢胡蜂的背部涂上彩色斑点,以区分不同个体,然后追踪聚居区内昆虫个体的交流活动,并拍摄记录下来。有一天,蒂贝茨偶然发现,录像里有两只未曾做过标记的胡蜂。除非她分辨得出这两只胡蜂谁是谁,否则这部分数据就没用。观看视频记录时,她突然发现,通过观察胡蜂面部与生俱来的黄色、棕色和褐色的条带斑点,可以区分这些未做标记的胡蜂。随后,蒂贝茨脑子里灵光一现,她不禁想——胡蜂自己也能这样做吗? 

 

蒂贝茨迫不及待地开始了实验。她花几天时间,记录了胡蜂面部各种各样的图案,然后开始测试,看胡蜂能否利用这些图案去识别同伴。通过使用一种相当“高科技”的手段——用牙签涂画,她改变了一些胡蜂的面部特征,然后观察胡蜂群对它们的反应。在胡蜂群中,极少出现攻击行为,因此如果胡蜂改变容貌后,遭到同伴攻击增多,就可以证明,胡蜂是通过面部特征来识别个体的。作为对照,她在另一些胡蜂身上也使用了涂料,但没有改变其面部特征——以验证胡蜂到底是对面部特征的改变起反应,还是仅仅对涂料有反应。

 

蒂贝茨发现,与对照组相比,胡蜂群对面部特征发生改变的胡蜂,有更强的攻击性;与对照组中的胡蜂则依旧照常相处。实验结果表明,胡蜂确实能够依据不同的面部图案,识别不同的个体。 

 

蒂贝茨惊呆了。这确实是一个令人惊讶的发现,想想人类是怎样识别面孔的吧——首先,我们必须将某人的面部特征,比如鼻子、嘴巴、眼睛和耳朵,进行信息组合;同时,我们会在脑海中,把这些面部特征的组合信息,与更多抽象信息联系起来,比如他(她)是我们的老板或邻居。然后,当我们再次见到这个人时,就能快速回忆起他(她)的面孔和身份。 

 

有趣的是,相比其他复杂视觉信息,人类能更快更准确地记住人的面孔。比如,在聚会中,你能毫不费力地快速记住参加聚会的人的面孔。但对于同样复杂的图案,比如汉字,要想记住它们,却得花费更多的时间和精力。面孔和汉字都是由多种元素组合在一起的复杂整体,但我们更善于记住面孔而不是汉字,因为进化赋予了大脑记忆面孔的能力。

 

实际上,人类大脑中有一块叫做梭状回面孔区(fusiform face area)的区域,专门用来处理面部识别。这种处理机制是高度特化的,以至于如果将一个熟人的照片颠倒过来,我们就会认不出来。同样,面部关键区域(比如眼睛)的微小改变,也会削弱我们识别熟悉面孔的能力。 

 

尽管人类在面孔识别上具有优势,但还是有将近2%的人,患有面孔识别障碍(face learning deficits)。大多数面孔识别障碍都是遗传性的,但如果成年人的梭状回面孔区受到损伤,也会患上这种疾病。无法识别人的面孔,会给患者的生活带来极大的不便,因为每个人都不可避免地生活在人际社会中。在一些极端案例中,患者甚至认不出自己的配偶和孩子,对他们来说,想要记住人的面孔,就像试图记住公园里每一块石头一样困难。此外,一些精神疾病(比如自闭症)患者身上出现的社交障碍,也可能部分源于面孔识别障碍。 

 

由于面孔识别这种高度特化的能力非常重要,蒂贝茨很想知道,胡蜂是否也已进化出了同样的特化性,或是进化出了另一种面孔识别方式。

 


 

变脸

 


 

英国约克大学皮特·汤普森(Peter Thompson)以英国前首相玛格丽特·撒切尔夫人作为例子,来说明人类高度特化的面部识别机制,会使我们对改变后的照片产生错觉。当我们看到一张熟悉的面孔发生颠倒,或者某些关键部位,比如眼睛和嘴巴发生颠倒,我们就很难识别。在具有面部识别能力的昆虫中,也存在图案改变后无法识别的情况,但人类与昆虫的这种机制是否相同,还有待进一步测试。 

 


 

为了找出答案,她需要先找到一种靠谱的训练方法,让胡蜂专注于“正确”的,并忽略“错误”的图案。通常,研究人员在训练社会性昆虫(比如蜜蜂)时,会采用奖励糖的方法,来诱使它们做出正确选择,完成特定任务。蜜蜂非常愿意为了糖而工作,因为它们的天职之一就是采集花蜜,与同伴一起分享。然而,这一招对胡蜂不管用,因为胡蜂可以几个星期不吃东西。最后,蒂贝茨和迈克尔·希汉(Michael Sheehan,蒂贝茨当时的研究生,现在在加利福尼亚大学伯克利分校)终于发现了一个训练胡蜂的方法——当胡蜂选择错误时,给予一次微小的电击,就能迫使它们选择正确的图案。 

 

使用这个训练方法,胡蜂学会了区分5种不同类型的图案——正常胡蜂面部图、简单的黑白几何图、毛毛虫(胡蜂的捕食对象)图像、经图片处理去除了触角的胡蜂面部图,以及经马赛克处理过的胡蜂面部图。图案都是两两配对地展示给胡蜂。仅仅经过20次训练,胡蜂就能从两两出现的图案中,准确选出正常的胡蜂面孔,但当其余4种图案两两出现时,胡蜂还是很难区分。给人印象最深的是,去除触角或将胡蜂面部元素重新排列组合,明显会干扰胡蜂的面部识别能力。 

 

胡蜂在识别正常面孔与去除了触角的面孔上的差异,强有力地证明了,胡蜂具有特殊的面部识别神经系统。去除触角的胡蜂面部图,与正常的胡蜂面部图,有着相同的颜色和图案,但胡蜂的视觉系统却不能有效地识别。这表明,像人类一样,胡蜂也是通过某些整体性的面部识别机制,来感知面孔。也就是说,胡蜂会把面孔作为一个整体来感知,而不是分别记住面部的各个元素。因此,这些不同的面部元素需要完整且正确排列,胡蜂才能正确地识别。去除了触角后,对胡蜂识别能力的影响,与颠倒照片、反转照片亮度、扭曲某些面部元素,对人的识别能力的影响是相似的。

 

人类和胡蜂高度特化的面部识别能力表明,特化机制在动物中可能普遍存在,比我们原先预想的要广泛得多——当环境条件需要这样的能力时,动物就进化出这种本领。比如,在纸巢胡蜂的巢穴里,并非只有一只蜂后,而是有一群蜂后,这些蜂后生活在一起,会为了争夺生殖优势而相互竞争。在这种情况下,为了和谐地共同生活,蜂后很有可能会进化出识别不同个体的本领,以记住每个个体的优势等级,并最终在种群中进化出了高度特化的面孔识别机制。同样,科学家推测,在不需要区分个体的动物群体中,面孔识别机制应该不会出现。 

 

为了验证这个假说,蒂贝茨和希汉考察了纸巢胡蜂的近亲——长足胡蜂(Polistes metricus)。长足胡蜂的社会结构与纸巢胡蜂不同,巢穴是由唯一的蜂后建立,在这种仅有一个蜂后的群落里,群体成员完全没有必要识别彼此面孔。此前,蒂贝茨和希汉已经发现,长足胡蜂面部的条带斑点等特征,不会随着个体的不同而变化,并且长足胡蜂也不会本能地彼此识别。他们由此认为,与社会化程度较高的纸巢胡蜂不同,长足胡蜂不具备特化的面部识别机制。这一结论支持了他们前面的推测。 

 

虽然经过训练,长足胡蜂也能够记住面孔,但这对它们来说非常困难,并且它们记住面孔的速度和准确度,与记住其他一些图案差不多。

 

此外,去除触角也不会影响长足胡蜂记住面孔的速度和准确度,这表明它们不具备特化的整体面部识别机制。相反,不论是记忆面孔,还是其他图案,长足胡蜂的处理方式都一样——把它们当成由各种单独特征组成的集合——和人类学习汉字时一样。

 

 

蜜蜂眼中的人脸 

尽管长足胡蜂缺少特化的面孔处理机制,但经过长时间训练后,它们依然能够记住同类的面孔。那么,有没有可能,拥有微小大脑的昆虫,也能记住另一种截然不同的生物——人类的面孔。

 

受到前面关于纸巢胡蜂研究的鼓舞,我们团队的另一位成员、正在研究蜜蜂的视觉信息处理机制的戴尔(Dyer),对蜜蜂能否区分人类面孔,产生了浓厚的兴趣。在一个标准神经科学测试中,戴尔向普通的蜜蜂展示人类的面部图,训练它们从多种面孔中区分出目标面孔。这些面孔非常相似,以至于即便是人类受试者,也会经常犯错。

 

戴尔的训练方法是,当蜜蜂正确选择了目标面孔时,就给蜜蜂奖励糖水;当蜜蜂选择了其他面孔时,给予味苦的奎宁溶液(又名金鸡纳霜,可以治疗疟疾)。尽管训练过程颇费周折,蜜蜂还是在50次实验后,学会了准确地区分开目标面孔和其他面孔。蜜蜂甚至还学会了在一组新的人类面孔中选出目标面孔。 

 

其他一些类似实验也已发现,蜜蜂的面孔识别机制与人类惊人相似。首先,尽管与纸巢胡蜂和人类相比,蜜蜂记住面孔的速度较慢,但还是能够通过后天训练,拥有整体性的面孔识别机制(它们不像纸巢胡蜂和人类一样天生就能如此)。其次,蜜蜂能够记住一张面孔上不同的点,并可以根据这些信息,在不同的角度上,识别出这张面孔图像。

 

例如,当蜜蜂看过一张特定面孔的正面和侧面后,把这张面孔旋转30度,蜜蜂依旧能正确地认出。蜜蜂居然能够记住面孔,这让科学家感到非常意外,因为蜜蜂的社会环境比胡蜂更简单,仅由一个蜂后和一群几乎做同样工作的工蜂组成。而且每一只蜜蜂并没有独特的面部特征,它们在巢穴中交流靠的是信息素,而不是视觉。 

 

研究昆虫的面部识别机制,将有助于我们开发出更好的自动人脸识别系统(automatic face-recognition systems)。从不同角度识别同一张脸,是机器脸部识别的巨大挑战之一,通常被认为是一项艰巨的任务。但这一任务,大脑比灵长类动物简单得多的蜜蜂却可以做到,因此搞清楚蜜蜂是如何处理这一复杂问题,将为我们提供一条捷径,更好地改善面部识别软件,并应用在智能机器上。 

 

另外,对昆虫面部识别机制的研究,还可以告诉我们,面部识别机制是如何进化出来的。尽管长足胡蜂和蜜蜂并不是天生就能在日常生活中区分不同个体,但通过训练,它们体内的“简单系统”还是能够学会记忆并识别面孔,这或许是因为它们在采食过程中,本来就要使用图案识别能力。而这种能力,或许正是高度特化的面部识别能力在进化过程中的一种过渡态。

 

当年,纸巢胡蜂的一部分祖先为了生存和繁殖,为了更好地适应新的社会环境,进化出了面部识别本领。随着时间的流逝,自然选择发挥了作用,纸巢胡蜂的大脑逐渐进化出了高度特化的面部识别机制,拥有了快速、准确分清敌友的能力。

 

进化中出现的过渡态,则对这种进化起到了推波助澜的作用:纸巢胡蜂和长足胡蜂是近亲,它们最后的共同祖先可能已经拥有了相对原始的面部记忆系统,这一点在长足胡蜂身上就可以看到。因此,纸巢胡蜂高超的面部识别本领,肯定是与长足胡蜂这一品系进化分离后,才在“最近”进化出来的。 

 

因此,当你下次站在院子里的时候,就花些时间好好欣赏一下身边的胡蜂和蜜蜂吧。在它们小小的大脑里,充满着无穷无尽超出我们想象的东西。 

 
本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2014年第1期(微信ID:huanqiukexue)。
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