21
2019
05

乌鸦是怎么数数的?

乌鸦会数数的传说由来已久,但乌鸦究竟如何辨别数字、进行计数却一直是道迷题。科学家已经开始探索其中的奥秘,试图揭示乌鸦辨识数量的方式和机制。
如何能够捕捉到乌鸦?古老的西方故事建议多个猎人一起出动,因为聪明的乌鸦会识几个数,能够根据猎人离开的数量判断是否存在危险。

据一个流传已久的故事,三个猎人一起去猎捕乌鸦,他们将诱饵放在射击区域,然后躲在乌鸦无法看到的隐蔽处等待它们进入射击区域。但是面对美味,乌鸦却丝毫不为所动。

日色渐晚,一名猎人说:“我已经尽力了”,然后失望而去。看到第一个猎人离开,乌鸦们仍然毫无动静。天色几近黑透,第二名猎人也无奈离开,而乌鸦们仍然不张翅膀。最后,第三位猎人也选择了离开。而这一次,猎人前脚刚刚离开,乌鸦们便蜂拥抢食诱饵,享受美味佳肴。

这个故事建议,应有三个以上的猎人一同前去捕猎,因为乌鸦是一种会数到3的鸟类。

关于乌鸦可以数数的传说不只上面一个,但乌鸦究竟如何辨别数字、进行计数却一直是个迷。来自德国图宾根大学的Andreas Nieder教授和Helen M. Ditz 尝试探索其中的奥秘,其研究结果发表在今年5月出版的《美国国家科学院院刊》上。

“在我看来,数量是我所能想到的感官领域最为抽象的范畴”。论文的通讯作者Andreas Nieder告诉《赛先生》,他们试图通过该研究揭开乌鸦辨识数量的方式和机制。

从1数到10,对于成年人而言几乎是无需思考便能完成的任务,而在动物界,这并不是件容易的事情。动物中,人类的近亲——灵长类动物与数字关系“要好”,鸦科家族中,乌鸦、松鸦等一些种类也表现出具备一定的数字相关能力。Andreas Nieder和Helen M. Ditz对乌鸦进行了简单的测试,发现其大脑中的神经元对于数量会有反应。

具体而言,乌鸦面前放置了两个屏幕,每个点的集合由1~5个不等数量的点组成。一个屏幕显示点的集合为样品组,另一屏幕显示点的集合为测试组。测试时,先让乌鸦观看样品组的屏幕,尔后停顿一秒钟,再观看测试组屏幕。当测试组的点数与样品组一致时,接受过训练的乌鸦就会用喙去啄显示屏。

乌鸦在实验中能够识别眼前的点数。 By Andreas Nieder 图片来源:phys.org

在乌鸦参与测验的过程中,研究者们对其端脑部分名为nidopallium caudolaterale (NCL)区域的神经元活动进行了纪录。据介绍,该区域神经元同时也承担着处理图像信息的任务。研究者共记录并观测了随机选取的499个神经元的活动状况。结果显示,约20%的神经元在测试中被激活,其活动水平与数字匹配表现为正相关。一些神经元的活动还会在特定数量出现时达到峰值。

“这些神经元位于乌鸦大脑的一个特殊区域,好像是我们人类大脑的端脑位置的区域,我们将其称为nidopallium caudolaterale ,NCL。这些神经元乌鸦进行数量信息处理时,出现了放电现象。” Andreas Nieder告诉《赛先生》。

为了确认乌鸦完成测验是凭借其量化数字的能力,而非简单的视觉辨别功能,Andreas Nieder等人还随机改变了点的尺寸大小、分布方式和位置等物理外观。但是,乌鸦们仍然可以判断出数量差异。

“测试结果显示乌鸦确实可以判断数量”。Andreas Nieder 说,“神经元忽略了点的大小、形状和排列分布方式等,仅仅关注其数量。”

此外,研究还显示,乌鸦对于数值差异的判断也因数值差异大小而变化,即当区分数量相近的物体组时比区分数量差别较大的物体组时表现得更加困难,随着总数量的量级增加,区分给定数量差的数字变得越来越困难。如,分辨出3和10要比分辨3和4的差异更容易。

对于乌鸦而言,拥有量化数量的能力带给其在野外生存的明显优势,比如,可以辨别出由7个玉米粒组成的玉米堆,比由3个玉米粒组成的堆更大;或者分辨出一侧有3个天敌,另一侧有7个天敌。

“这是很棒的研究。至少我们知道了它们(乌鸦)是如何做到的。”日本宇都宫大学动物形态学教授杉田昭荣认为,该类研究可以帮助我们了解在不同环境下乌鸦的神经元开展活动的过程和速度。杉田昭荣也针对乌鸦开展了有关认知的研究,“事实上,当用不同大小的笼子开展实验的时候,我们发现,乌鸦在小笼子里的认知速度要慢于在大笼子里的情况。”他向《赛先生》表示。

乌鸦是灵长类的近亲?

“最让我们惊讶的发现是,乌鸦的大脑在处理数字时所采取的行为和神经反应,与灵长类动物大脑的反应十分相似。” Andreas Nieder这样告诉《赛先生》。

在他看来,这是该研究的最大亮点之一,“此前,我们在灵长类的大脑皮层中曾经发现了同样的机制和反应。这提示,鸟类和灵长类动物可能分别独自使用了类似的机制用于解释数量。鉴于两种物种的神经基质分别独立且进行了不同的演化,上述发现让人十分吃惊。”

据介绍,灵长类动物与鸟类的大脑结构存在显著差异。灵长类动物的大脑拥有六层脑皮层,仅有2至4毫米厚度的脑皮层围绕在大脑的周围,就好像是橙子皮包裹着果肉一样。而相比之下,鸟类并没有脑皮层。

Andreas Nieder指出,大脑皮层被认为是智能动物如哺乳动物和人类进行信息处理的重要组织。乌鸦虽然没有灵长类动物那样的6层大脑皮层,不过,乌鸦在其演化过程中生成了一个与之不同的部分,作为乌鸦大脑中的最高级信息处理中心,该部分被称为nidopallium caudolaterale,NCL。

乌鸦与灵长类动物并非近亲,两者关系遥远。早在3亿年前,鸟类和哺乳动物从其共同的祖先——爬虫类开始分别进化。爬虫类动物的大脑很小,且端脑部分不存在高端的信息中心。

“这说明乌鸦和灵长类动物在漫长的进化过程中,分别独立的建立并找到了相似的对数量进行处理的机制”。Andreas Nieder说,这是一个“趋同进化”的过程。

“趋同进化”是指不同生物会因为其环境条件等相似因素,进化产生相同的功能,或是相似的形态结构。如,哺乳动物海豚和鱼类鲨鱼虽然并不属于同一物种,但是却同时进化出了鱼雷一样的体型。灵长类动物和鸦类对于数字的区分有着类似的解决方案。

“这仅仅是(显示出)两个物种有着近似的反应,但并不完全意味着其潜在的认知活动是一样的。”来自新西兰奥塔哥大学的动物神经生物学家Damian Scarf评论道。他同时评论称:“该论文是回答有关数字认知相关问题的第一步。”

也有科学家表示,确定鸟类的大脑如何工作可以帮助科学家们更好地了解进化。鸟类和哺乳动物大脑之间的这种相似性显示,它们的某些能力演变自共同的祖先或来自独立的不同物种。

一位热爱动物的西雅图小女孩嘉比经常喂食飞到院子里的乌鸦。让她没想到的是,这些“朋友们”会不时地衔一些亮晶晶的小东西送给她,包括纽扣、文具等,有时候甚至是耳环。

有人认为这是乌鸦的报恩行为,华盛顿大学的鸟类专家John Marzluff表示,很多人都收到过乌鸦的礼物,其研究表明,乌鸦和人可以形成一种人际关系,双方之间有着双向沟通。

虽然在中国,乌鸦常常因其外表和鸣叫声被认为是不祥之物,但是乌鸦的聪慧却是远近闻名。从伊索寓言到各种民间传说,都有很多关于乌鸦的故事,而且乌鸦总是被描述为一种聪慧的鸟类,有人将其称为“羽毛学者”。

Andreas Nieder说,尽管没有脑皮层,乌鸦仍然表现出聪明的行为,它们学习速度快,会根据周边状况改变行为,甚至会思考后再采取行动。这些行为通常发生在一些聪明的哺乳动物身上,如人类和灵长类。

有科学家研究发现,乌鸦的智慧相当于七岁的孩子。新西兰奥克兰大学的生物学家Sarah Jelbert对6只来自新喀里多尼亚岛(New Caledonia)的乌鸦进行实验后发现,它们会制作并使用工具, 比如可以弄弯铁丝以勾取食物,还会通过向注有水的水管中抛掷重物,以获取漂浮在水面的食物。“乌鸦对物理的认知大概相当于5到7岁的儿童”。Sarah Jelbert说。

John Marzluff和同事不但发现乌鸦具有记忆力,而且首次通过对乌鸦大脑进行扫描以寻找其认知机制。他和学生带着面具在校园里捕捉了7只乌鸦,标记后释放。此后,每次当他们带着面具出现,被标记的乌鸦都会对其大叫。接下来,他和同事使用了正电子发射断层扫描(PET)设备,对乌鸦看到面具时的脑部神经进行观测。“我们发现,乌鸦大脑的认知非常灵活。”Marzluff称。

近年来,科学家们的研究和实验一再证明了乌鸦的聪慧。美国加州大学圣巴巴拉分校的比较认知学家Corina Logan曾指出:“鸟类认知研究现在很热门”。

“虽然它们很聪明,但仍是野生鸟类。也正是因为乌鸦很聪明,所以很难捕捉到它们。”日本宇都宫大学动物形态学教授杉田昭荣告诉《赛先生》,研究乌鸦认知和记忆有一些客观困难。乌鸦并非家犬,它们时常并不顺从于科学家们设计的实验。因此,科学家们往往需要等待很久才能开展实验,比如记忆力实验,他们往往要先用一年时间为乌鸦制造记忆。“这样,我们在一年里除了养着它们,什么也做不了。如果在一年内,它们不幸受到病患侵袭,那么一切又要从头开始了。”

Andreas Nieder一直持续着对乌鸦认知行为的研究,早在两年前,他们就发现了乌鸦具有“思考能力”。他们在研究中调查了鸟类和哺乳动物大脑相关区域的工作异同点,并探索了乌鸦智慧行为的生理学基础。

对于乌鸦的数量辨别能力的研究, Andreas Nieder告诉《赛先生》,虽然此前已经有科学家在行为层面探索乌鸦的计数能力,不过在脑神经领域探索神经元如何控制乌鸦行为和认知的研究,他的实验室仍是目前相关领域中的唯一一个。

上述日本宇都宫大学动物形态学教授杉田昭荣及其同事曾经以8只巨嘴鸦为研究对象,通过让乌鸦在标有数字的盒子内选择并寻找食物,来测验其是否识数。该研究被认为是首次发现乌鸦可以辨别数量。

Andreas Nieder表示,目前针对乌鸦计数机制的研究才刚刚开始,“我们一定会持续进行下去。我们将会持续探讨其他有关数字信息(如顺序等其他形式)在乌鸦大脑中如何被表达和处理。此外,我们还想更多地了解,在独立于大脑皮层之外的情况下,乌鸦大脑的回路如何可以完成这些抽象行为。”

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