互动科普

蜜蜂能够认出你

传统观点认为，

只有拥有哺乳动物那样复杂大脑的生物，

才具有识别面孔的能力。

但科学家最近发现，

某些昆虫也能完成这项任务。

撰文 伊丽莎白·A·蒂贝茨（Elizabeth A. Tibbetts）

阿德里安·G·戴尔（Adrian G. Dyer）

翻译 边绍康 雷志林 

审校 顾勇

一个颇为流行的理论认为，人类之所以进化出了容量很大的大脑，是因为在复杂的人类社会中，人们必须要熟悉并记住很多人。但一些研究表明，脑容量不足人类万分之一的生物，居然也能识别不同的个体。

这一发现让科学家不得不思考，这些小小的昆虫是如何进化出这种惊天技能的，昆虫的哪些脑区负责控制脸部识别。后一个问题尤其关键，如果能搞清楚，将有助于软件设计师设计出更好的自动人脸识别系统。

意外发现

许多科学发现都源于偶然，科学家发现胡蜂能区分不同个体也是如此——这个发现来自一个有些侥幸的事件。那是2001年，当时我们研究团队的蒂贝茨还只是一名年轻的研究生，正专注于研究纸巢胡蜂（Polistes fuscatus，胡蜂的一种）的社会生活。为了进行这项研究，蒂贝茨需要给纸巢胡蜂的背部涂上彩色斑点，以区分不同个体，然后追踪聚居区内昆虫个体的交流活动，并拍摄记录下来。有一天，蒂贝茨偶然发现，录像里有两只未曾做过标记的胡蜂。除非她分辨得出这两只胡蜂谁是谁，否则这部分数据就没用。观看视频记录时，她突然发现，通过观察胡蜂面部与生俱来的黄色、棕色和褐色的条带斑点，可以区分这些未做标记的胡蜂。随后，蒂贝茨脑子里灵光一现，她不禁想——胡蜂自己也能这样做吗？

蒂贝茨迫不及待地开始了实验。她花几天时间，记录了胡蜂面部各种各样的图案，然后开始测试，看胡蜂能否利用这些图案去识别同伴。通过使用一种相当“高科技”的手段——用牙签涂画，她改变了一些胡蜂的面部特征，然后观察胡蜂群对它们的反应。在胡蜂群中，极少出现攻击行为，因此如果胡蜂改变容貌后，遭到同伴攻击增多，就可以证明，胡蜂是通过面部特征来识别个体的。作为对照，她在另一些胡蜂身上也使用了涂料，但没有改变其面部特征——以验证胡蜂到底是对面部特征的改变起反应，还是仅仅对涂料有反应。

蒂贝茨发现，与对照组相比，胡蜂群对面部特征发生改变的胡蜂，有更强的攻击性；与对照组中的胡蜂则依旧照常相处。实验结果表明，胡蜂确实能够依据不同的面部图案，识别不同的个体。

蒂贝茨惊呆了。这确实是一个令人惊讶的发现，想想人类是怎样识别面孔的吧——首先，我们必须将某人的面部特征，比如鼻子、嘴巴、眼睛和耳朵，进行信息组合；同时，我们会在脑海中，把这些面部特征的组合信息，与更多抽象信息联系起来，比如他（她）是我们的老板或邻居。然后，当我们再次见到这个人时，就能快速回忆起他（她）的面孔和身份。

有趣的是，相比其他复杂视觉信息，人类能更快更准确地记住人的面孔。比如，在聚会中，你能毫不费力地快速记住参加聚会的人的面孔。但对于同样复杂的图案，比如汉字，要想记住它们，却得花费更多的时间和精力。面孔和汉字都是由多种元素组合在一起的复杂整体，但我们更善于记住面孔而不是汉字，因为进化赋予了大脑记忆面孔的能力。

实际上，人类大脑中有一块叫做梭状回面孔区（fusiform face area）的区域，专门用来处理面部识别。这种处理机制是高度特化的，以至于如果将一个熟人的照片颠倒过来，我们就会认不出来。同样，面部关键区域（比如眼睛）的微小改变，也会削弱我们识别熟悉面孔的能力。

尽管人类在面孔识别上具有优势，但还是有将近2%的人，患有面孔识别障碍（face learning deficits）。大多数面孔识别障碍都是遗传性的，但如果成年人的梭状回面孔区受到损伤，也会患上这种疾病。无法识别人的面孔，会给患者的生活带来极大的不便，因为每个人都不可避免地生活在人际社会中。在一些极端案例中，患者甚至认不出自己的配偶和孩子，对他们来说，想要记住人的面孔，就像试图记住公园里每一块石头一样困难。此外，一些精神疾病（比如自闭症）患者身上出现的社交障碍，也可能部分源于面孔识别障碍。

由于面孔识别这种高度特化的能力非常重要，蒂贝茨很想知道，胡蜂是否也已进化出了同样的特化性，或是进化出了另一种面孔识别方式。

为了找出答案，她需要先找到一种靠谱的训练方法，让胡蜂专注于“正确”的，并忽略“错误”的图案。通常，研究人员在训练社会性昆虫（比如蜜蜂）时，会采用奖励糖的方法，来诱使它们做出正确选择，完成特定任务。蜜蜂非常愿意为了糖而工作，因为它们的天职之一就是采集花蜜，与同伴一起分享。然而，这一招对胡蜂不管用，因为胡蜂可以几个星期不吃东西。最后，蒂贝茨和迈克尔·希汉（Michael Sheehan，蒂贝茨当时的研究生，现在在加利福尼亚大学伯克利分校）终于发现了一个训练胡蜂的方法——当胡蜂选择错误时，给予一次微小的电击，就能迫使它们选择正确的图案。

使用这个训练方法，胡蜂学会了区分5种不同类型的图案——正常胡蜂面部图、简单的黑白几何图、毛毛虫（胡蜂的捕食对象）图像、经图片处理去除了触角的胡蜂面部图，以及经马赛克处理过的胡蜂面部图。图案都是两两配对地展示给胡蜂。仅仅经过20次训练，胡蜂就能从两两出现的图案中，准确选出正常的胡蜂面孔，但当其余4种图案两两出现时，胡蜂还是很难区分。给人印象最深的是，去除触角或将胡蜂面部元素重新排列组合，明显会干扰胡蜂的面部识别能力。

胡蜂在识别正常面孔与去除了触角的面孔上的差异，强有力地证明了，胡蜂具有特殊的面部识别神经系统。去除触角的胡蜂面部图，与正常的胡蜂面部图，有着相同的颜色和图案，但胡蜂的视觉系统却不能有效地识别。这表明，像人类一样，胡蜂也是通过某些整体性的面部识别机制，来感知面孔。也就是说，胡蜂会把面孔作为一个整体来感知，而不是分别记住面部的各个元素。因此，这些不同的面部元素需要完整且正确排列，胡蜂才能正确地识别。去除了触角后，对胡蜂识别能力的影响，与颠倒照片、反转照片亮度、扭曲某些面部元素，对人的识别能力的影响是相似的。

人类和胡蜂高度特化的面部识别能力表明，特化机制在动物中可能普遍存在，比我们原先预想的要广泛得多——当环境条件需要这样的能力时，动物就进化出这种本领。比如，在纸巢胡蜂的巢穴里，并非只有一只蜂后，而是有一群蜂后，这些蜂后生活在一起，会为了争夺生殖优势而相互竞争。在这种情况下，为了和谐地共同生活，蜂后很有可能会进化出识别不同个体的本领，以记住每个个体的优势等级，并最终在种群中进化出了高度特化的面孔识别机制。同样，科学家推测，在不需要区分个体的动物群体中，面孔识别机制应该不会出现。

为了验证这个假说，蒂贝茨和希汉考察了纸巢胡蜂的近亲——长足胡蜂（Polistes metricus）。长足胡蜂的社会结构与纸巢胡蜂不同，巢穴是由唯一的蜂后建立，在这种仅有一个蜂后的群落里，群体成员完全没有必要识别彼此面孔。此前，蒂贝茨和希汉已经发现，长足胡蜂面部的条带斑点等特征，不会随着个体的不同而变化，并且长足胡蜂也不会本能地彼此识别。他们由此认为，与社会化程度较高的纸巢胡蜂不同，长足胡蜂不具备特化的面部识别机制。这一结论支持了他们前面的推测。

虽然经过训练，长足胡蜂也能够记住面孔，但这对它们来说非常困难，并且它们记住面孔的速度和准确度，与记住其他一些图案差不多。

此外，去除触角也不会影响长足胡蜂记住面孔的速度和准确度，这表明它们不具备特化的整体面部识别机制。相反，不论是记忆面孔，还是其他图案，长足胡蜂的处理方式都一样——把它们当成由各种单独特征组成的集合——和人类学习汉字时一样。

蜜蜂眼中的人脸

尽管长足胡蜂缺少特化的面孔处理机制，但经过长时间训练后，它们依然能够记住同类的面孔。那么，有没有可能，拥有微小大脑的昆虫,也能记住另一种截然不同的生物——人类的面孔。

受到前面关于纸巢胡蜂研究的鼓舞，我们团队的另一位成员、正在研究蜜蜂的视觉信息处理机制的戴尔（Dyer），对蜜蜂能否区分人类面孔，产生了浓厚的兴趣。在一个标准神经科学测试中，戴尔向普通的蜜蜂展示人类的面部图，训练它们从多种面孔中区分出目标面孔。这些面孔非常相似，以至于即便是人类受试者，也会经常犯错。

戴尔的训练方法是，当蜜蜂正确选择了目标面孔时，就给蜜蜂奖励糖水；当蜜蜂选择了其他面孔时，给予味苦的奎宁溶液（又名金鸡纳霜，可以治疗疟疾）。尽管训练过程颇费周折，蜜蜂还是在50次实验后，学会了准确地区分开目标面孔和其他面孔。蜜蜂甚至还学会了在一组新的人类面孔中选出目标面孔。

其他一些类似实验也已发现，蜜蜂的面孔识别机制与人类惊人相似。首先，尽管与纸巢胡蜂和人类相比，蜜蜂记住面孔的速度较慢，但还是能够通过后天训练，拥有整体性的面孔识别机制（它们不像纸巢胡蜂和人类一样天生就能如此）。其次，蜜蜂能够记住一张面孔上不同的点，并可以根据这些信息，在不同的角度上，识别出这张面孔图像。

例如，当蜜蜂看过一张特定面孔的正面和侧面后，把这张面孔旋转30度，蜜蜂依旧能正确地认出。蜜蜂居然能够记住面孔，这让科学家感到非常意外，因为蜜蜂的社会环境比胡蜂更简单，仅由一个蜂后和一群几乎做同样工作的工蜂组成。而且每一只蜜蜂并没有独特的面部特征，它们在巢穴中交流靠的是信息素，而不是视觉。

研究昆虫的面部识别机制，将有助于我们开发出更好的自动人脸识别系统（automatic face-recognition systems）。从不同角度识别同一张脸，是机器脸部识别的巨大挑战之一，通常被认为是一项艰巨的任务。但这一任务，大脑比灵长类动物简单得多的蜜蜂却可以做到，因此搞清楚蜜蜂是如何处理这一复杂问题，将为我们提供一条捷径，更好地改善面部识别软件，并应用在智能机器上。

另外，对昆虫面部识别机制的研究，还可以告诉我们，面部识别机制是如何进化出来的。尽管长足胡蜂和蜜蜂并不是天生就能在日常生活中区分不同个体，但通过训练，它们体内的“简单系统”还是能够学会记忆并识别面孔，这或许是因为它们在采食过程中，本来就要使用图案识别能力。而这种能力，或许正是高度特化的面部识别能力在进化过程中的一种过渡态。

当年，纸巢胡蜂的一部分祖先为了生存和繁殖，为了更好地适应新的社会环境，进化出了面部识别本领。随着时间的流逝，自然选择发挥了作用，纸巢胡蜂的大脑逐渐进化出了高度特化的面部识别机制，拥有了快速、准确分清敌友的能力。

进化中出现的过渡态，则对这种进化起到了推波助澜的作用：纸巢胡蜂和长足胡蜂是近亲，它们最后的共同祖先可能已经拥有了相对原始的面部记忆系统，这一点在长足胡蜂身上就可以看到。因此，纸巢胡蜂高超的面部识别本领，肯定是与长足胡蜂这一品系进化分离后，才在“最近”进化出来的。

因此，当你下次站在院子里的时候，就花些时间好好欣赏一下身边的胡蜂和蜜蜂吧。在它们小小的大脑里，充满着无穷无尽超出我们想象的东西。

本文译者 边绍康是中国科学院上海神经科学研究所的研究助理。

雷志林是中国科学院上海神经科学研究所的研究生。

本文审校 顾勇是中国科学院上海神经科学研究所的研究员，主要研究空间运动感知的机制，以及视觉、前庭和听觉等多种感觉信息整合的神经基础。