8 دقیقه
دانشمندان به زنبورهای بمبوس (Bombus terrestris) آموختهاند که پالسهای نوری کوتاه و بلند را از هم تمییز دهند — فرم سادهای از کد مورس — و از اطلاعات زمانیِ این پالسها برای انتخاب محل جستوجوی غذا استفاده کنند. این نتیجه نخستین نشاندهی است که این گردهافشانهای پشمالو قادرند تصمیمهای جستوجوی غذا را صرفاً براساس مدتزمان یک علامت بصری اتخاذ کنند؛ یافتهای که پردازش زمانی نسبتاً پیچیدهای را در مغزی به اندازه دانه خشخاش آشکار میسازد.
How the experiment worked: training bees to read time
گروهی از پژوهشگران به رهبری الکس دیویدسون، رفتارگرای دانشگاه کویین مری لندن، یک محفظهٔ کوچک جستوجو (foraging arena) ترتیب دادند که در آن هر زنبور کارگر جداگانه با دو چراغ چشمکزن روبهرو میشد. یکی از چراغها پالس طولانیتری داشت و دیگری پالس کوتاهتری. در برخی آزمونها، پالس بلند 5 ثانیه و پالس کوتاه 1 ثانیه بود؛ در آزمونهای دیگر، پالس بلند 2.5 ثانیه و کوتاه 0.5 ثانیه بود. برای هر گروه از زنبورها، یکی از این مدتها همراه با جایزهٔ شیرین و دیگری با مایعی تلخ و بازدارنده (کِوینین) جفت شد.
حیوانات باید میآموختند کدام الگوی زمانی به شکر منتهی میشود و کدام به کِوینین. زنبورها زمانی آموزشدیده در نظر گرفته شدند که به آستانهٔ موفقیتِ 15 انتخاب درست از 20 آزمون برسند. بسیار مهم است که پس از دورهٔ آموزش، پژوهشگران پاداشهای شکر و کِوینین را حذف کردند و آزمونهای بدون پاداش (probe trials) را اجرا نمودند تا ردپای بو یا نشانههای غیرزمانی را منتفی کنند. حتی بدون هیچ سرنخ چشایی یا بویی، حشرات هنوز الگوی زمانیای را که پیشتر با شکر مرتبط شده بود ترجیح میدادند و عملکردشان بالاتر از حد تصادفی باقی ماند.
سامانهٔ آزمایشی پژوهشگران صرفاً روی مؤلفهٔ زمانی تأکید داشت. پالسها به جز در مدتزمان کاملاً یکسان بودند، بنابراین زنبورها مجبور بودند تفاوتهای زمانی را رمزگذاری و بهیادآوری کنند تا انتخاب درست را داشته باشند. این آزمایش شاهدی قانعکننده است بر اینکه Bombus terrestris میتواند اطلاعات بصری صرفاً زمانی را پردازش کند — تواناییای که پیشتر بیشتر در مهرهداران گزارش شده بود تا در حشرات.
چیدمان آزمایشی پژوهشگران. جعبهٔ سمت راست محل زندگی زنبورهاست؛ سه اتاقک سمت چپ محل انجام آزمونها است. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Why temporal processing matters in nature
توانایی برآورد بازههای زمانی به حیوانات کمک میکند مسائل واقعیِ بقای روزمره را حل کنند. جستوجوی غذا ممکن است نیاز به مقایسهٔ مدت زمانی داشته باشد که گلها باز میمانند یا اینکه یک منبع تا چه مدت دردسترس است. برآورد زمان به ناوبری، اجتناب از شکارچی، و تعاملات اجتماعی نیز کمک میکند. اگرچه زنبورهای بمبوس در طبیعت معمولاً با پترنهای چشمکزن شبیه کد مورس آزمایشگاهی مواجه نمیشوند، پردازش زمانی ممکن است سازگاریای باشد برگرفته از وظایف حسی دیگر — برای مثال دنبال کردن حرکت، قضاوت در مورد فرکانس بالزدن، یا دینامیک گلها، و نیز رمزگذاری توالیها در حین یادگیری.
«میخواستیم ببینیم آیا زنبورهای بمبوس میتوانند تفاوت بین این بازههای زمانی را یاد بگیرند، و دیدن اینکه آنها این کار را انجام میدهند بسیار هیجانانگیز بود» دیویدسون میگوید. او و همکارانش دو توضیح ممکن پیشنهاد میکنند: یا توانایی زمانسنجی از نیازهای بومشناختی دیگر مانند شناسایی حرکت فرگرفته شده است، یا بازتاب یک ویژگی عصبی بنیادیِ رمزگذاری زمان است که در میان جانوران فراگیر است.
نموداری از محفظهٔ جستوجو که زنبورها در آن آزمایش شدند. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Key discoveries and scientific context
این مطالعه بر شواهد فزایندهای تکیه دارد که نشان میدهد شناخت زنبورها غنیتر از آن است که پیشتر تصور میشد. کارهای اخیر نشان دادهاند زنبورهای بمبوس میتوانند منابع شبیه قارچ را مدیریت کنند، رفتارهای حل مسئله را آموزش دهند و حتی تعاملات بازیگونه از خود بروز دهند. گونههای دیگر زنبورها نشانههایی از درک عددِ ساده و راهبردهای یادگیری شبیه محاسبات ابتدایی را نشان دادهاند. افزودن تمایز مدتزمان به این فهرست، تأکید میکند که چگونه وظایف شناختی پیچیده میتوانند در سامانههای عصبی بسیار کوچک پدید آیند.
از نظر فنّی، این آزمایش تمایز زمانی را بهمثابهٔ متغیر تصمیمگیری منزوی کرده است. با تصادفیسازیِ اینکه کدام مدتزمان در گروههای مختلف نشانهٔ پاداش است و با حذف سرنخهای غیرزمانی در آزمونهای پروب، تیم پژوهشی توضیحات جایگزین مانند بو، سوگیری فضایی یا تفاوت روشنایی را به حداقل رساند. اندازهٔ اثر — انتخاب زمان پاداشدار توسط زنبورها بیش از حد تصادفی — نشاندهندهٔ یادگیری قوی در یک بازهٔ آموزشی نسبتاً کوتاه است. این نکته برای بحثهای مربوط به ادراک زمان، حافظهٔ کاری زمانی، و نقش یادگیری تجربهای در سازگاری رفتاری اهمیت دارد.
Implications for cognition and robotics
درک اینکه مغزهای کوچک چگونه زمان را رمزگذاری میکنند فراتر از زیستشناسی اهمیت دارد. بینشها دربارهٔ راهبردهای عصبیِ جمعوجور و کارآمد برای پردازش زمانی میتواند الهامبخش الگوریتمهای کممصرف در روباتیک و سامانههای حسگری باشد، جایی که محدودیتهای سختافزاری بازتابی از منابع محدود موجود برای حشرات است. افزون بر این، شناخت توانمندیهای شناختی پیشرفته در گردهافشانها بحثهای حفاظتی را بازتعریف میکند: حفاظت از گونههایی که رفتارهای پیچیدهٔ غیرمنتظرهای دارند اهمیت اخلاقی و عملیِ بیشتری برای خدمات اکوسیستم مانند گردهافشانی پیدا میکند.
Expert Insight
«یافتهای که نشان میدهد زنبورهای بمبوس میتوانند از مدتزمان یک پالس بصری برای هدایت انتخابهای جستوجوی غذا استفاده کنند، چشمگیر است»، دکتر لینا مورالس، یک عصب-رفتارگر (neuroethologist) که مطالعهٔ یادگیری در حشرات را دنبال میکند، میگوید. «این نشان میدهد رمزگذاری زمان یا از محاسبات حسی موجود بازمصرف شده یا ویژگیای نوظهور از مدارهای عصبی است که در مقیاسهای بسیار کوچک عمل میکنند. به هر صورت، این نتایج ما را به بازاندیشی دربارهٔ تواناییهای مغزهای کوچک و چگونگی شکلگیری راهحلهای کارآمد توسط انتخاب طبیعی برای وظایف پیچیده وا میدارد.»
What’s next for research
سؤالات باز همچنان باقیاند. آیا زنبورهای بمبوس قابلیت تعمیم زمانبندی بین مدالیتیهای مختلف را دارند (مثلاً صدا در برابر نور)؟ چه مدارهای عصبی زیربنای برآورد فاصلههای زمانی در مغز زنبور هستند و این مکانیزم تا چه حد در زمینهها و گونههای مختلف انعطافپذیر است؟ مطالعات آینده که آزمایشهای رفتاری را با ثبتهای عصبی یا مدلسازی محاسباتی ترکیب کنند میتوانند نشان دهند آیا حشرات از مکانیزمهای شبهنوسانی (oscillator-like)، دینامیکهای جمعیتی نورونی، یا دیگر راهبردهای فشرده برای نمایش زمان استفاده میکنند یا خیر.
این مطالعه که در نشریهٔ Biology Letters منتشر شده است، یادآور دیگری است از اینکه تواناییهای شناختی شگفتانگیز میتوانند در سامانههای عصبی بسیار کوچک پدید آیند — و اینکه طرحهای تجربی ساده که از فناوریهای روزمره الهام گرفته شدهاند، مانند کد مورس، میتوانند اصول بنیادین هوش حیوانی را روشن کنند. یافتهها برای حوزههای مرتبط مانند عصبشناسی حشره، زیستسنجی رفتار، نظریهٔ یادگیری، و کاربردهای مهندسی-روباتیک (الگوریتمهای زمانبندی کممصرف) اهمیت دارند. علاوه بر این، این نتایج بر اهمیت پژوهشهای میانرشتهای تأکید میکند؛ جایی که بومشناسی، عصب-رفتارشناسی و مهندسی میتوانند برای استخراج الگوهای کلی پردازش اطلاعات در موجودات زنده با منابع محدود به هم پیوستگی داشته باشند.
در پایان، این کار نشان میدهد که مفاهیم سادهٔ آزمایشی — مانند استفاده از پالسهای کوتاه و بلند برای شبیهسازی یک فرم ساده از ارتباط زمانی — قادرند پرسشهای عمیقتری دربارهٔ ماهیت ادراک زمان، حافظهٔ کوتاهمدت و راهبردهای یادگیری در موجودات کوچک باز کنند. برای پژوهشگران علوم اعصاب رفتاری و طراحان سامانههای کممصرف، اینگونه مطالعات نمونههای ارزشمندی فراهم میآورند برای بررسی اینکه چگونه اطلاعات زمانی در مدارهای محدود رمزگذاری، نگهداری و بازیابی میشود؛ مسألهای که هم در درک زیستشناختی زمان در طبیعت و هم در توسعهٔ فناوریهای نوین کاربردی است.
منبع: sciencealert
نظرات
پمپزون
جالب اما یه کم اغراق شده بنظر میاد؛ پروب بدون پاداش رو دیدم ولی آیا بوهای خیلی ریز کاملا حذف شدند؟ ابهامات مونده هنوز :)
رامین
من یه بار گلها رو نگاه میکردم، بعضیشون انگار باز و بسته شدنشون زمانبندی داره. شاید زنبورها از همین نشونهها یاد گرفتن، تجربه شخصی، نه آزمایش
لابکور
آیا ثبت عصبی همراه با رفتار انجام شده؟ یا فقط رفتارسنجی؟ اگر نوسان مانند باشه باید مدلسازی هم کنند، این بخش رو کم گفته بودن، نیست؟
توربوم
Makes sense tbh، البته آزمایش سادهس ولی نتیجهش قانعکننده است؛ فقط موندم تو طبیعت هم این یادگیری اجرا میشه یا نه
مکبایت
وای! زنبورها اینقدر باهوشن؟ یعنی مغز به این کوچیکی بتونه مدت زمان رو رمزگذاری کنه، واقعا عجیب و هیجانانگیز... خیلی جالب، فکر کنم کلی ایده برای رباتیک ازشون میشه گرفت
ارسال نظر