作者:John Marzluff 来源:《皇家学会学报B》 发布时间:2013-7-23 15:25:47
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鸟类拥有好头脑

新的脑部扫描方法成为动物认知研究中的亮点。图片来源:V. MORELL/SCIENCE;ALICE AUERSPERG
 
面临不同类型的威胁时,例如像红尾鹰这样的捕食者或戴着面具的人类,乌鸦会进行相同的凝视,但是背后却有着不同的大脑处理机制。美国华盛顿大学的野生生物学家John Marzluff率领的研究团队日前在英国《皇家学会学报B》上发表了研究报告。在实验中,Marzluff和同事使用了正电子发射断层扫描(PET)设备,以捕捉乌鸦在看到不同对象时脑部的图像。“我们发现乌鸦大脑的认知非常灵活。”Marzluff称。
 
Marzluff强调,PET扫描是该领域研究中观察鸟类大脑的“首次尝试”,它被誉为研究鸟类认知的强大新工具。“这是鸟类认知神经科学的首创。”新西兰奥克兰大学的进化生物学家Russell Gray说,“他们展示了乌鸦的脑部会进行哪些活动。”Gray和其他科学家希望这种扫描可以刺激这个已经在蓬勃发展的研究领域。
 
不过,不是所有的人都因此认为脑部扫描会改变这一领域的现状。“这种比较行为神经科学绝对是需要的,但并不能代替心智能力的行为测试。”加拿大多伦多大学的心理学名誉教授Sara J. Shettleworth如是说。
 
有羽毛的猿
 
10年前,研究人员若知道当今科学家会如此热衷于研究鸟类大脑,一定会感到很惊讶。鸟类家族成员曾被视作智力低下,它们被认为缺少大脑皮层,即哺乳动物大脑中更高认知功能发生的区域。2004年,一个由神经生物学家和鸟类学家组成的国际研究团队报告称,鸟类拥有大脑结构,其中包括和哺乳动物类似的发达的前脑。在此之前,比较认知研究人员已经证明,一些鸟类——尤其是鹦鹉、乌鸦和松鸡——的行为方式表现出复杂的认知技能。2004年的报告“提供了神经学方面的证据,可以帮助说服那些持怀疑态度的人们”。美国加州大学圣巴巴拉分校的比较认知学家Corina Logan如是说,“现在鸟类认知研究很热门”。
 
确实,在过去10年中,该领域方兴未艾,产生了大批研究论文。科学家详细研究了乌鸦和松鸡复杂的记忆、乌鸦的工具制造和推理能力以及很多鸟类复杂的社交能力,特别是鸦科鸟类和鹦鹉。其中对鸦科鸟类的研究最多。“鸦科鸟类的各种行为——从算数到缓冲,充分展示了它们的灵活和多样化。”英国剑桥大学的比较心理学家Nicola Clayton说。她与伦敦大学玛丽女王学院的Nathan Emery将鸦科鸟类称为“有羽毛的猿”,因为这些鸟类有着很多和类人猿相同的本领——从工具制造到社交。在一些试图发现其所拥有的识别对方意图能力的测试中,一些鸦科鸟类的表现甚至超过了类人猿。
 
然而,不是所有人都相信鸟类拥有先进认知的说法。一些研究人员称,那些行为可以被解释为诸如联想学习等的简单认知过程。双方研究人员的争论此起彼伏。荷兰格罗宁根大学的理论生物学家Elske van der Vaart说:“一方的研究人员认为找到了一种动物拥有新的心智能力,而另一方会说证据尚未足够。”
 
为什么鸟类有可能发展出丰富的心智能力?奥地利维也纳大学的认知心理学家Thomas Bugnyar表示,这可能是复杂社交生活的结果——与灵长类动物认知进化背后驱动力的理论相同。“我们试图了解社交智能假说如何适用于非哺乳类动物,尤其是鸦科鸟类。”Bugnyar说。最近他在《比较认知与行为评价》杂志上发表了其团队研究的总结。比如,美国乌鸦拥有复杂的社交生活,这可能会塑造其进化:它们有终身伴侣和大家族,通过复杂的声音交流,在大型社会团体中飞行、觅食和栖息。如果相同的社交压力驱使鸟类和灵长类动物的认知能力形成,那么这将是趋同进化的惊人实例。
 
鸟类行为物理学
 
试图探索鸟类行为背后机制的行为实验通常非常复杂。很多实验测试了鸟类为得到食物而使用和制作工具、操作物体。研究人员称,这些实验提供了动物拥有“朴素物理学”的线索——它们对机械世界如何认知。“物理任务很吸引人,因为它们更可能揭示动物精确的认知操作如何解决难题。”英国牛津大学的行为生态学家Alex Kacelnik说。
 
去年,维也纳大学的Alice Auersperg带领的研究团队报告称,一只戈芬氏凤头鹦鹉Figaro可以自己发明、制作并修改工具。这只鸟从地板上捡起一根树枝,去掉边杈,裁成适当的长度,并用其将一个螺母耙进了笼子。这听起来像是一个戏剧性的、自发的发明。但是,Figaro是否在脑中有一个完成的耙子图像,并采取这些步骤来实现这一过程呢?如果是这样,还没有人可以证实。鸟类可能是在一系列探索性步骤中进行学习。
 
日前,该研究团队在《科学公共图书馆—综合》上发表报告称,实验中其他的鹦鹉为得到食物可以学习打开5个锁,表明鸟类可以在没有额外奖励的情况下学习连续操作步骤。当这些锁用不同的次序呈现时,鹦鹉也能成功开锁,表明它们可以独立思考每个步骤。“这是一种棘轮装置——包含很多小步骤——可以引领其得到一个解决方案。”Kacelnik称。
 
新西兰奥克兰大学的进化生物学家Alex Taylor称,这一实验展示了鸟类的逐步进化,但鸟类制作工具和操作物体行为背后的机制仍然是一个谜。“这些表现令人印象深刻,但是很难准确了解其认知的用途以及鸟类的大脑中进行着什么。”
 
新苏格兰乌鸦包括乌鸦、非洲灰鹦鹉和食肉鹦鹉,它们可以得到笼子较远处的一根垂直绳子上系的食物。这些鸟都是用了相同的方法:它们用喙拉起绳子,然后用脚踩住,使其喙可以拉起更多的绳子,直到够到食物。不过,它们做这些动作时,脑子里在想什么呢?一些人认为,这些小鸟脑中想象到重复拉绳子的结果——可以得到食物,因此会朝着最终目标进行工作。但是另一些人认为,小鸟可能只是简单地进行反馈循环。
 
在2012年发表于英国《皇家学会学报B》上的论文中,Taylor通过轻微改变11只野生新苏格兰乌鸦的设置,对这两种假说进行了测试。他将两个独立的绳圈放在桌子上,每根绳子末端都系有肉,不过其中一根绳子是断开的,如果小鸟拉动它,末端的肉不会移动。大多数小鸟会拉动那根连续的绳子,但只有一只持续拉动得到了食物。其他小鸟在拉动几下后就停止了,或者根本就没有拉动。Taylor认为,至少在这个试验中,小鸟是对每一步作出反应,而不是想象出最终的结果。
 
乌鸦的头脑
 
这些解释的差异正是科学家对研究鸟类大脑感到兴奋的原因。Marzluff已经得知,乌鸦非常细心且有良好的记忆力。它们在看到另一只乌鸦的尸体后,会发出叫声并聚集起来,它们也不会忘记曾经威胁过自己的人的样子。2010年,Marzluff曾在《动物行为学》杂志上发表过相关报告。2006年,他和学生戴着野人面具在校园中捕捉了7只乌鸦,进行标记后将其释放。之后,当研究人员再次戴上面具在校园里走动时,带有标记的乌鸦便会向其大叫,但对戴着迪克·切尼面具的人却没有反应。这一天,只要Marzluff戴上面具,校园中的乌鸦(即使那些没被捕捉过的乌鸦)都会反复袭击他。
 
去年,在发表于美国《国家科学院院刊》上的一项研究中,Murzluff第一次使用其脑部扫描技术,在乌鸦看到并记住戴面具的样子时检查其神经回路。目前,新研究显示,乌鸦看到天敌时和记忆以前从未见过的有威胁的人的样子时的大脑活跃部分是不同的。该方法“会大大改善我们对动物如何接触、说明和内化信息的理解”。澳大利亚国立大学的行为生态学家Teresa Iglesias如是说。
 
“这是技术上和概念上的突破。”美国北卡罗来纳州杜克大学的神经解剖学家Erich Jarvis说。但他提醒,Marzluff的团队可能“过快地用纯粹的认知内容来解释实验结果”。一些基本的大脑功能——感觉处理和神经激活——也可以解释扫描中的一些差异。
 
即使第一次使用该方法的实验结果并不十分可靠,但Gray、Logan和其他研究人员还是感到很兴奋。Taylor和Gray希望使用Marzluff的技术进行拉绳实验,来了解小鸟大脑的哪些部分与其有关。当然,有一些事情人们永远不会了解,比如这些乌鸦对于在Marzluff的实验室生活两周是怎么想的。(来源:中国科学报 张冬冬)
 
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