章鱼,简直就是本星上的外星人

作者:Mridula Vardhan
本文转载自: 利维坦(ID:liweitan2014)
章鱼,简直就是本星上的外星人

© Neurotech/Anthropocene Magazine

利维坦按:

怎么说呢……每次看到章鱼,都觉得它肯定不是地球生物。当然,这主要是惊讶于这家伙和我们实在实在实在是太不相同了。章鱼有三个心脏和蓝色的血液,且具有非常复杂的神经系统,而那个软耷耷的脑袋里只占三分之一,其余神经细胞均分布在其腕足,可谓是真正“用手思考”问题的物种。虽然章鱼的智力多寡一直备受争议,但仅就复杂认知(学习和记忆等)而言,它俨然足以让我们肃然起敬了。
 
由于没有骨骼,它可以轻易从水族箱中逃走;八爪上的吸盘可以独立活动,且有味觉接收器(请想象你变成了拥有几百条舌头时候的感受);它还会借助椰子壳来作为自己的移动栖身之地;甚至,它会爬上渔船偷螃蟹……

章鱼,简直就是本星上的外星人

我们之中有外星人吗?一些海洋生物学家也许能说服你相信:确实有。

 

章鱼,简直就是本星上的外星人

© Imgur

头足类动物是远古时期就已出现的海洋动物,由于其独特而美丽的特征,在每一个海洋研究领域都引起了人们的兴趣和关注。头足类动物(包括章鱼、鱿鱼、乌贼和鹦鹉螺)属于软体动物门,都有一个大脑袋、圆鼓鼓的眼睛和轻巧灵活的触手。对生物学家来说,这些动物之所以看起来如此重要而神奇,既是因为头足类动物的进化史,也因为它们独特的进化过程所产生的、令人困惑的复杂认知能力。谁能想到一种在进化层面上与蜗牛是邻居的动物,能够策划出从水族箱逃回海洋的路线呢?

头足类动物为我们提供了一个绝佳的机会,能够让我们进一步提高对智力和认知的理解;通过研究头足类动物和人类在神经系统结构上的差异来查究、比较以获取认知,可以获得大量关于神经结构/功能关系和它们与智能之关系的信息。

 

目前来看,头足类动物的神经系统是无脊椎动物中最大的,比软体动物门中的其他动物(包括蜗牛和贻贝)要复杂得多。典型的头足类动物有一个拥有8000万个神经元的中枢神经系统和一个由大约3亿个神经元组成的周围神经系统。

脊椎动物的神经系统集中分布在巨大的大脑中,周围神经的神经元组织则相对简单,头足类动物却完全不是这样。它们有数个独立的“卫星大脑”,每根触手也有单独的、类似于脊髓的结构。一种假设认为,头足类动物的神经系统结构和它们所拥有的认知能力有关,这种关联经常被拿来与脊椎动物的相比较。


章鱼,简直就是本星上的外星人

© Giphy

过去的神经生物学和海洋学研究表明,头足类动物表现出复杂的行为模式,因此研究人员推测,这些动物具有庞杂的认知能力,这种能力源于其发达的神经系统。研究人员观察到的头足类动物的行为模式包括情绪性变色捕食性伪装高级记忆能力。这些灵活的行为模式的基础可能是复杂认知机制。

(onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12651)

 

复杂认知(complex cognition)是智能科学中的一个常见术语,通常表现为特定的认知能力描述,包括因果推理未来规划心理归因(mental attribution,个体识别他人思想和知识的能力)这些认知能力是高等级思维的标志,通常只能在脊椎动物——而非蜗牛和贻贝这类动物——身上观察到。尽管不太可能,但头足类动物的确产生了高度智能的行为,这超越了通常的进化逻辑。

 

最大的问题是,为什么头足类动物进化出了如此复杂的神经系统和行为模式,而与它们亲缘关系最近的物种却没有任何类似的东西?

 

有一种理论认为,在失去坚硬的保护壳后,这些动物产生了进化的需求,它们需要在不同的环境中聚居,培养出复杂的行为,以便觅食和躲避捕食者。例如,人们已经观察到,章鱼利用它们特殊的皮肤来模仿有毒的动物,以欺骗捕食者;这种智能行为需要进化出复杂的神经系统才能完成。

 

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© Deep Sea News

 

头足类动物进化理论框架:

失去坚硬的保护壳→占据多样的生态位(ecological niche)→需要养成复杂的觅食/保护行为→复杂认知的进化

头足类动物以其在捕食性信号传递过程中的拟态和“变形”技能而闻名。通常认为,它们的感知能力与他们较大的大脑和发达的感觉器官有关。也有证据显示,这些生物意识到了物体恒存(object permanence),而这也表现出了它们基于感知的认知能力,这使它们能够在物体从视线范围内消失时继续追踪。

 

这种视线外追踪能力是捕食时的一个重要优势;即使猎物躲藏了起来,头足类动物也能识别它们的位置。头足类动物能够理解物体恒存,这点已被用来证明这些动物可以进行心理归因。心理归因是一种重要的认知功能,因为它表明动物能够熟练地将其他动物视为拥有自我意识,独立但相似的存在。这种行为听起来应当很耳熟,因为它的确如此!心理归因是人类认知中不可或缺的一部分:我们有能力辨别他人的感受、思考和感知。因此,心理归因被认为是复杂认知的重要前兆。

 

头足类动物具有复杂认知的另一个例子是它们具有快速学习的倾向:所有的头足类动物种群(章鱼、乌贼、鱿鱼)都表现出高度的联想和辨别学习能力。研究人员已经能够通过厌恶联想学习的方式教会头足类动物抑制捕食行为,也能教会它们区分特定的视觉特征以换取奖励。头足类动物还具有高水平的空间能力,能够通过空间线索有效地在迷宫中找到躲藏处。虽然其学习形式之广泛令人印象深刻,但是我们仍不清楚,这些能力究竟是源于潜在的复杂认知机制还是简单联想机制。

 

头足类动物也通过其发达的记忆回想能力展示出令人印象深刻的记忆技能。据观察,乌贼具有情景记忆:有行为证据表明,它们确切地记得自己吃了什么,在哪里吃的,以及自那以后过了多久。这可能暗示它们拥有未来规划的能力,因为动物会将过去的经历编码,为将来的行为和决定提供信息。未来规划是复杂认知的特征之一,因为它要求动物根据此前的这一知识将信息整合在一起并做出决定。

 

头足类动物区别于其他动物的最后一个特点是行为的灵活性,行为灵活性的定义是个体改变行为以有效应对新情况的能力。这种适应性改变使得头足类动物能够进行高效的觅食、反捕食和交配活动。

 

章鱼在数次前往某一片觅食区域,耗尽其资源后,不会再造访这一区域,这表明它们可以灵活地更新记忆,以优化觅食行为。作为一种反捕食策略,乌贼和鱿鱼都能够灵活地改变自己的身体花纹,以应对接近它们的捕食性鱼类的威胁。这种防御可能与它们所感知到的捕食者的精神状态有关,从而为头足类动物的心理归因能力提供进一步的证据。条纹蛸甚至会可爱地利用椰子壳作为移动洞穴,也会将其他保护材料作为防御工具。

头足类动物还会利用它们快速的“变形”能力来和同类交流,以便与对方交配。雄性的伞膜乌贼(Sepia apama)会连续多次“变形”,以展示其不断提高的威胁度。这种动态的沟通创造出了灵活的交配策略,而后者进一步证明了头足类动物拥有复杂和快速的决策行为。

 

这些多样的复杂认知行为令研究人员推测,头足类动物具有更高的认知水平,这在海洋生物学和比较认知学两个领域都引起了越来越多的兴趣,暗示着神经生物学及其与认知科学的联系实为一体。

 

目前对头足类动物智能和认知的研究状况很有限,很少有研究真正对这些动物的复杂认知进行分类量化。2015年,一段视频广为流传,内容是一只章鱼从一个罐子内部打开它逃跑,这种奇闻轶事型的证据能给我们带来的仅仅是一次有趣的观测。然而,一旦了解到这些动物能够做出如此复杂的行为,这种认知就能使我们构建出具体的、可测试的问题,以进一步研究这种表现背后的机制。

 

章鱼,简直就是本星上的外星人

章鱼可以轻松拧开瓶盖从而逃生。© Imgur

最近有一些研究对行为灵活性进行了科学的调查,为头足类动物的复杂认知假说提供了证据。2020年,有证据表明,乌贼能够展现出灵活的捕食行为:它们根据偏好食物的可获得情况来改变捕食策略。实验表明,乌贼能够明白食物是否可获取,并根据这一编码知识决定未来的食物消耗。这个实验也证明了乌贼具有执行控制能力,当它们知道以后会有更好的食物时,它们可以克制自己不吃那些不那么好吃的食物。

 

要想彻底证实乌贼能够为未来做规划,我们还需要更多的研究;这项研究并没有确证它们的行为是否独立于它们目前的动机状态,但是它确实提供了强有力的证据来支持这一理论。定量评估头足类动物复杂认知能力的研究为数不多,上述的是其中之一;在对这些生物的智能得出结论之前,还有必要进行更多的研究,并对量化科学方法进行更多应用。我们必须排除奥卡姆剃刀,找到证据来反驳“这些行为源于简单联想学习”的理论,然后才能得出结论称,头足类动物的行为灵活性来自复杂认知机制。

 

章鱼,简直就是本星上的外星人

© Imgur

至此,我们已经讨论了拟态、变形、学习、规划、记忆、行为灵活性,这些都很棒、很令人兴奋;毫无疑问,头足类动物又聪明又酷。但是我们为什么要关心这些呢?

 

这些居于我们之间的物种是如此复杂古怪,以至于我们甚至可以将它们视作外星人——除了这一迷人的事实之外,这种类型的比较认知为认知科学开辟了进一步的研究范围,以帮助理解复杂认知的基础。

 

近年来,认知科学家发现,人类认知的本质已经超越了传统的“结构决定功能”的框架。这个问题拖慢了我们理解智力及其如何产生的能力,但是,随着对各种不同的神经系统结构和完全不同的生物体中的这类复杂认知进行更多的研究,我们或许能够在结构和功能之间建立新的联系。

 

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© Imgur

这种对头足类动物认知的额外观点可能不会为我们提供有关认知问题的全部答案,不过,通过进一步了解拥有相似功能却截然不同的结构,我们就可以围绕认知之奥秘形成更完善的结论。有了这样的认识,我们最终将能够创造出新的、更好的人工智能模型,并将神经技术领域推向前所未有的高度;而这一切都要归功于一种脑袋长得太大的软体动物。

文/Mridula Vardhan, Annabel Teagan, Jandy Le (ed.)

译/苦山

校对/兔子的凌波微步

原文/ucbneurotech.medium.com/how-the-octopus-may-change-our-view-of-human-cognition-8585024a6462

本文基于创作共同协议(BY-NC),由苦山在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场

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