(Reviewed_Mis/iStock) Die bescheidene Honigbiene kann Symbole verwenden, um grundlegende Mathematikaufgaben einschließlich Addition und Subtraktion durchzuführen, wie eine heute in der Zeitschrift veröffentlichte neue Forschungsarbeit zeigt Wissenschaftliche Fortschritte .
Obwohl die Honigbiene ein Gehirn mit weniger als einer Million Neuronen hat, hat sie kürzlich gezeigt, dass sie komplexe Probleme bewältigen kann – wie z das Konzept der Null verstehen .
Honigbienen sind ein wertvolles Modell für die Erforschung neurowissenschaftlicher Fragen. In unserer neuesten Studie haben wir beschlossen, zu testen, ob sie lernen können, einfache arithmetische Operationen wie Addition und Subtraktion durchzuführen.
Additions- und Subtraktionsoperationen
Als Kinder lernen wir, dass ein Pluszeichen (+) bedeutet, dass wir zwei oder mehr Mengen addieren müssen, während ein Minuszeichen (-) bedeutet, dass wir Mengen voneinander subtrahieren müssen.
Um diese Probleme zu lösen, benötigen wir sowohl das Langzeit- als auch das Kurzzeitgedächtnis. Wir verwenden das Arbeitsgedächtnis (Kurzzeitgedächtnis), um die numerischen Werte während der Ausführung der Operation zu verwalten, und wir speichern die Regeln für das Addieren oder Subtrahieren im Langzeitgedächtnis.
Obwohl die Fähigkeit zum Rechnen wie Addieren und Subtrahieren nicht einfach ist, ist sie in menschlichen Gesellschaften von entscheidender Bedeutung. Die Ägypter und Babylonier Beweise für die Verwendung von Arithmetik zeigen um 2000 v. Chr., was beispielsweise nützlich gewesen wäre, um den Viehbestand zu zählen und neue Zahlen zu berechnen, als Vieh verkauft wurde.
Aber ist für die Entwicklung des arithmetischen Denkens ein großes Primatengehirn erforderlich, oder stehen andere Tiere vor ähnlichen Problemen, die es ihnen ermöglichen, arithmetische Operationen zu verarbeiten? Wir haben dies anhand der Honigbiene untersucht.
Wie man eine Biene trainiert
Honigbienen sind zentrale Ortssammler – das bedeutet, dass eine Sammelbiene an einen Ort zurückkehrt, wenn dieser eine gute Nahrungsquelle bietet.
Wir versorgen die Bienen während der Experimente mit einer hohen Konzentration an Zuckerwasser, sodass einzelne Bienen (alle weiblich) weiterhin zum Experiment zurückkehren, um Nahrung für den Bienenstock zu sammeln.
Wenn in unserem Aufbau eine Biene eine richtige Zahl wählt (siehe unten), erhält sie als Belohnung Zuckerwasser. Trifft sie eine falsche Wahl, erhält sie eine bitter schmeckende Chininlösung.
Mit dieser Methode bringen wir einzelnen Bienen innerhalb von vier bis sieben Stunden bei, die Aufgabe der Addition oder Subtraktion zu erlernen. Jedes Mal, wenn die Biene satt wurde, kehrte sie zum Bienenstock zurück und nahm dann wieder an dem Experiment teil, um weiter zu lernen.
Addition und Subtraktion bei Bienen
Honigbienen wurden einzeln darauf trainiert, einen Y-labyrinthförmigen Apparat zu besuchen.
Die Biene flog in den Eingang des Y-Labyrinths und sah eine Reihe von Elementen, die aus einer bis fünf Formen bestanden. Die Formen (z. B. quadratische Formen, aber in tatsächlichen Experimenten wurden viele Formoptionen verwendet) hätten eine von zwei Farben. Blau bedeutete, dass die Biene eine Additionsoperation durchführen musste (+ 1). Wären die Formen gelb, müsste die Biene eine Subtraktionsoperation durchführen (-1).
Bei der Aufgabe „Plus oder Minus eins“ würde eine Seite eine falsche Antwort enthalten und die andere Seite würde die richtige Antwort enthalten. Die Seite der Reize wurde während des Experiments zufällig geändert, damit die Biene nicht lernte, nur eine Seite des Y-Labyrinths zu besuchen.
Nach dem Betrachten der anfänglichen Zahl flog jede Biene durch ein Loch in eine Entscheidungskammer, wo sie je nach der Operation, für die sie trainiert worden war, entweder zur linken oder zur rechten Seite des Y-Labyrinths fliegen konnte.
(Scarlett Howard)
Zu Beginn des Experiments trafen die Bienen zufällige Entscheidungen, bis sie herausfinden konnten, wie sie das Problem lösen konnten. Schließlich lernten die Bienen in über 100 Lernversuchen, dass Blau +1 bedeutete, während Gelb -1 bedeutete. Bienen könnten die Regeln dann auf neue Zahlen anwenden.
Beim Testen mit einer neuartigen Zahl waren die Bienen bei der Addition und Subtraktion eines Elements in 64–72 Prozent der Fälle richtig. Die Leistung der Biene bei Tests unterschied sich erheblich von dem, was wir erwarten würden, wenn die Bienen eine zufällige Auswahl treffen würden, was als Zufallsleistung bezeichnet wird (50 Prozent richtig/falsch).
So ermöglichte unsere „Bienenschule“ im Y-Labyrinth den Bienen, zu lernen, wie man mit arithmetischen Operatoren addiert oder subtrahiert.
Warum ist das für Bienen eine komplexe Frage?
Numerische Operationen wie Addition und Subtraktion sind komplexe Aufgaben, weil sie erfordern zwei Verarbeitungsebenen . Auf der ersten Ebene muss eine Biene den Wert numerischer Attribute verstehen. Auf der zweiten Ebene muss die Biene numerische Attribute im Arbeitsgedächtnis mental manipulieren.
Zusätzlich zu diesen beiden Vorgängen mussten Bienen auch die Rechenoperationen im Arbeitsgedächtnis ausführen – die zu addierende oder zu subtrahierende Zahl „Eins“ war visuell nicht vorhanden. Vielmehr war die Idee von plus eins oder minus „eins“ ein abstraktes Konzept, das die Bienen im Laufe des Trainings klären mussten.
Der Nachweis, dass eine Biene einfache Arithmetik und symbolisches Lernen kombinieren kann, hat zahlreiche Forschungsbereiche identifiziert, die erweitert werden müssen, beispielsweise ob andere Tiere addieren und subtrahieren können.
Implikationen für KI und Neurobiologie
Es besteht großes Interesse an KI und daran, wie gut Computer das Selbstlernen neuartiger Probleme ermöglichen können.
Unsere neuen Erkenntnisse zeigen, dass das Erlernen symbolischer Rechenoperatoren zur Aktivierung von Addition und Subtraktion mit einem Miniaturgehirn möglich ist. Dies deutet darauf hin, dass es möglicherweise neue Möglichkeiten gibt, Interaktionen zwischen Langzeitregeln und Arbeitsgedächtnis in Designs zu integrieren, um das schnelle Lernen neuer Probleme durch die KI zu verbessern.
Außerdem zeigen unsere Ergebnisse, dass das Verstehen mathematischer Symbole als eine Sprache mit Operatoren etwas ist, das wahrscheinlich viele Gehirne erreichen können, und hilft zu erklären, wie viele menschliche Kulturen unabhängig voneinander Rechenfähigkeiten entwickelt haben.
Scarlett Howard , Doktorand, RMIT-Universität ; Adrian Dyer , Außerordentlicher Professor, RMIT-Universität , Und Jair Garcia , Wissenschaftlicher Mitarbeiter, RMIT-Universität .
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