熊蜂也有“节奏感”？南方医科大学原创科研成果再登Science

　　我们经常会有这样的体验：一段熟悉的音乐，即使被变速，或者换一种乐器来演奏，依然能辨认出来。原因在于，我们识别的并不是每个音符绝对有多长、出现得有多快，而是其中更抽象的时间结构。这种抽象节律感知能力原本被认为只存在于人类、鸟类和少数哺乳动物，如今被南方医科大学科研团队证实同样存在于熊蜂的微型脑中。

　　继此前揭示熊蜂的情绪及情绪传染机制后，4月3日，国际顶级学术期刊Science（《科学》），再次发表了南方医科大学粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心全职PI Cwyn Solvi教授与彭飞教授团队联合完成的研究成果Flexible, abstract rhythm perception in bumble bees（《熊蜂灵活、抽象的节律感知》），标志着南方医科大学在动物认知与比较心理学研究领域再次取得国际领先的突破。

　　这项研究发现挑战了“对复杂时间模式进行表征和泛化依赖发声学习能力或特殊大脑结构”的传统看法，提示这种抽象节律感知能力并非只存在于少数高等动物中，而可能具有更广泛的演化基础，并能够从相对简单的神经架构中产生。

　　灵光一“闪”，熊蜂也有“节奏感”吗？

　　“最初的想法，源于我们几位作者之间的一次头脑风暴。”彭飞回忆。团队一直聚焦熊蜂微型脑的认知能力研究，彼时，大家普遍推测，熊蜂或许难以完成复杂时序模式的辨别和记忆，这可能是它们微型脑认知能力的局限所在。也正因如此，团队对这一问题始终很好奇，想自己试一试，看看熊蜂到底能不能做到。

　　前人研究和团队前期工作表明，熊蜂不仅具备出色的视觉加工能力，也能处理较为简单的时间线索。基于此，CwynSolvi和彭飞团队采用了一套由Arduino微控制系统驱动的人工花装置，让不同“花朵”按照预设程序，呈现出不同的闪光模式。

　　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，并在实验场地中同时呈现两种配对的闪光模式，其中一种对应糖水奖励，另一种对应奎宁惩罚。在这种设定下，熊蜂如果想将两组模式区分开，识别哪一种对应奖励，哪一种对应惩罚，就不能依赖某一个单独的局部特征，而必须真正把握整体的时间结构，也就是节律本身。

　　实验结果表明，熊蜂不仅能学习记忆复杂时间模式，还整体速度发生变化后识别出同一节律模式。这一结果出乎团队最初预料，说明熊蜂确实可以不依赖固定时长或局部特征，而是基于相对时间关系形成抽象表征。

　　如果说视觉闪光实验证明了熊蜂能“看懂”节律，那么一个更具挑战性的问题随之而来，“它们理解的到底是视觉刺激本身，还是隐藏在刺激背后的时间结构？”

　　触类旁“通”，不只是视觉，还能跨模态迁移

　　带着这个疑问，团队设计了振动到视觉的跨模态实验，彭飞说：“设计跨模态实验，更多还是出于好奇，也想看看熊蜂到了这一步是不是就做不出来了。没想到，实验结果给了我们一个大大的惊喜。”

　　在这一实验中，熊蜂首先在T迷宫中学习两种不同的振动节律模式，感受到其中一种振动模式时，应去往左侧获得糖水奖励；感受到另一种模式时，则应去往右侧获得奖励。结果显示，熊蜂能够顺利学会将不同的振动模式与左右选择联系起来。完成训练后，研究团队没有继续使用振动刺激，而是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，熊蜂仍然能够作出正确选择。

　　这意味着，熊蜂所表征的可能并不是“振动”或“闪光”这样的表面形式，而是更抽象的节律结构本身。换句话说，熊蜂记住的不是刺激来自哪一种感觉通道，而是这些事件在时间上如何被组织起来。

　　节律感知对熊蜂生存至关重要，可帮助其判断距离、控制飞行、导航路线等，在其觅食等关键活动中作用明显，但动物生存中动态时序信息的作用常被忽视。该研究不仅颠覆了节律感知是少数高等动物“专利”的认知，还为人工智能领域提供启发，昆虫脑运作逻辑或助力开发更高效精简的人工智能系统。

　　微脑探“秘”，不止于“节律”，而是探寻未知的勇气

　　谈及熊蜂，彭飞的表述始终严谨克制。在他看来，这份谨慎是对生命和科学问题的敬畏。“熊蜂在地球上已存在了数千万年，它们在漫长演化过程中形成了哪些能力，人类今天其实仍然了解得很有限。”

　　Cwyn Solvi和彭飞团队此次熊蜂节律感知研究，与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，持续推进对熊蜂微型脑认知过程的探索。在他看来，这些研究的真正价值，不是证明“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部结构，也可能建立在一些更为基本的计算原则之上。

　　通过跨物种研究和比较不同生物的认知加工过程，人们或许能够进一步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的视角。彭飞表示：“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。”

　　从微小生命的智能到人类大脑的奥秘，在探索大脑这“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，正汇聚世界一流的脑科学研究团队，开展基础和临床双向转化研究。彭飞表示：“此次成果既是团队长期深耕微型脑认知研究的重要进展，更体现了粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心在脑科学基础研究和交叉创新方面的持续支持。”

　　作为在粤港澳大湾区建设国家战略和中国脑计划实施背景下应运而生的高端科研平台，该中心瞄准“重大脑疾病防治”关键科学问题，打造具有国际领先水平的多学科交叉创新平台，形成了一批以国家自然科学奖二等奖为标志的新学说、新机制、新技术，产出了一批创新性科研成果和多个治疗重大精神疾病的候选新药和新产品，成为全国脑科学研究的高地。

　　正如中国工程院院士、中心主任高天明所言，大脑是人类最不了解的器官，而基础研究的原创性成果，正是抢占脑科学领域国际制高点的关键。熊蜂“微型脑”的探索，为理解智能的起源与进化提供了全新视角，也与中心“脑认知功能”的核心研究方向高度契合。

　　近年来，中心一系列原创性成果不断涌现。高天明团队与李建明团队合作揭示了关于焦虑如何通过特定神经环路影响肿瘤进展的作用机制。曹雄团队发现双歧杆菌通过促进外源性肌酸吸收发挥抗抑郁效应的作用机制，并开展临床试验证实双歧杆菌与肌酸联合干预展现更显著的抗抑郁疗效。徐江平团队研发的一款新型抗抑郁药物已进入临床一期试验。周宏伟团队围绕肝性脑病病理机制，创新性地发现特定肠道细菌通过代谢产物参与肝性脑病的发生，突破了传统“氨中毒”理论。李骁健团队深耕半侵入式脑机接口研究，研发的超薄薄膜电极可贴附于脑膜表面采集信号。中心还有若干团队聚焦无创脑机接口的技术突破，解决无创颅外信号精准度低的难题。

　　“我们的目标不是停留在论文上，而是为疾病的诊断、预防和治疗提供真正可用的方案。”高天明表示。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”四大研究方向促进多领域的深度融合，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。

　　从熊蜂微型脑里的精微探索，到人类脑科学事业的宏大愿景，一代代南医人秉持科研初心，在基础研究的道路上步履不停。熊蜂大脑仅含约一百万个神经元，却能完成学习、记忆、情绪表达、社会认知等一系列复杂行为。彭飞表示：“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。这是属于南医科研人的宏大梦想，更是全人类向着科学高峰不断跋涉的漫漫征途。