“微型脑”的熊蜂也有“节奏感”

熊蜂闪光飞行实验。 受访者供图

当我们跟随音乐打拍子时，大脑不仅记住了每个声音的时长与速度，更把握了其中抽象的时间结构。这种节律感知能力过去被认为是人类、鸟类和少数哺乳动物的专属。然而，南方医科大学团队与合作者的最新研究证实，熊蜂仅有约100万个神经元、比芝麻粒还小的“微型脑”，同样具备抽象节律感知能力。

这项4月3日发表于《科学》的研究成果，挑战了“复杂时间模式的表征与泛化依赖发声学习或特殊脑结构”的传统观点，提示节律感知可能具有更广泛的演化基础，并能从相对简单的神经架构中产生。

南方医科大学教授、粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心主任高天明院士指出，熊蜂微型脑的探索与学校脑认知功能核心研究方向高度契合，为理解智能的起源与进化提供了全新视角。

熊蜂能否辨别复杂时序模式

“最初的研究想法源于一次头脑风暴。”论文通讯作者、南方医科大学教授彭飞回忆。前人的研究及团队前期工作表明，熊蜂具备出色的视觉加工能力，也能处理简单时间线索。但对于更复杂的时序模式的辨别和记忆，团队推测熊蜂或许难以完成，这可能是其微型脑的认知局限。不过，好奇心驱使他们亲自尝试。

基于此，南方医科大学教授、论文通讯作者Cwyn Solvi和彭飞团队采用Arduino微控制系统驱动的人工花装置，让不同花朵按预设程序呈现不同闪光模式。

Solvi介绍，团队从简单到复杂设计了一系列闪光模式，系统控制了闪光时长、次数、总亮度等局部线索。实验同时呈现两种配对的闪光模式：一种对应糖水奖励，另一种对应奎宁水惩罚。熊蜂若想区分两组模式、识别奖励与惩罚对应的模式，就不能依赖单一局部特征，必须把握整体时间结构，即节律本身。

实验结果表明，熊蜂不仅能学习记忆复杂时间模式，还能在整体速度变化后识别出同一节律模式。这出乎团队预料，说明熊蜂确实可以不依赖固定时长或局部特征，而基于相对时间关系形成抽象表征。

跨模态实验揭示节律感知本质

视觉闪光实验证明了熊蜂能“看懂”节律，但一个新问题随之而来：它们理解的是视觉刺激本身，还是隐藏其后的时间结构？

为此，团队设计了从振动到视觉的跨模态实验。论文作者、澳大利亚麦考瑞大学教授Andrew B. Barron说：“设计跨模态实验更多是出于好奇，没想到给了我们一个大惊喜。”

实验中，熊蜂先在T迷宫里学习两种不同振动节律模式，感受到一种模式时前往左侧可获得糖水奖励，感受到另一种模式时前往右侧才能获得糖水奖励。结果显示，熊蜂能顺利将不同振动模式与左右选择关联。训练完成后，团队不再使用振动刺激，而改用时间结构等价的视觉闪光模式进行测试。令人惊讶的是，熊蜂依然能作出正确选择。

这意味着，熊蜂所表征的并非“振动”或“闪光”这类表面形式，而是更抽象的节律结构本身。换言之，熊蜂记住的不是刺激来自哪种感觉通道，而是事件在时间上如何被组织。

论文第一作者、南方医科大学博士生曾梓杰表示，节律感知对熊蜂生存至关重要，可帮助判断距离、控制飞行、导航路线等，在觅食等关键活动中作用明显，但动态时序信息的生态意义常被忽视。

彭飞表示，该研究不仅颠覆了“节律感知是少数高等动物专利”的认知，也为人工智能提供了启发：昆虫脑的运作逻辑可能有助于开发更高效、更精简的系统。

从微小生命到人类脑科学

彭飞对熊蜂的表述始终严谨克制。“熊蜂在地球上已存在数千万年，它们在漫长演化中形成了哪些能力，人类今天仍然了解有限。”

Solvi和彭飞团队的此次节律感知研究以及此前发表的熊蜂情绪传染研究，分别从个体认知与社会认知两个维度，持续推进对微型脑认知过程的探索。

彭飞认为，这些研究的真正价值不在于证明“熊蜂比我们想象的更聪明”，而在于提醒我们，智能未必依赖庞大的脑结构，也可能建立在更基本的计算原则之上。

“我们通过跨物种研究，比较不同生物的认知加工过程，或许能为人们提炼出认知与智能的一般原理，为理解智能的起源与演化提供新视角。”彭飞说，“唯有将科研视野拓展至更广阔的生命体系，我们才有望一步步接近‘智能的核心到底是什么’这一根本问题。”

从微小生命智能到人类大脑奥秘，在探索大脑这一“最复杂器官”的征程中，扎根于南方医科大学的粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心（以下简称中心）正汇聚世界一流团队，开展基础和临床双向转化研究。高天明指出，大脑是人类最不了解的器官，基础研究的原创性成果是抢占脑科学领域国际制高点的关键。未来，中心将围绕“脑认知功能、重大脑疾病、类脑智能与脑机接口、脑功能新技术及仪器”四大方向，促进多领域深度融合，构建“脑科学+”创新体系，推动科研成果从实验室走向临床与产业应用。

“熊蜂大脑仅有约100万个神经元，却能完成学习、记忆、情绪表达、社会认知等一系列复杂行为。”彭飞告诉记者，若能持续发现熊蜂微型脑的感知与学习机制，必将为脑科学研究与人工智能发展带来颠覆性启示。或许未来某天，人类能从更多微小生命的智慧中汲取灵感，研发出更通用、更高效的人工智能系统。这是南医人的宏大梦想，也是全人类不断攀登的科学高峰。