如何使用

左边是世界：黑色粗线条的细胞是主角，浅灰色的是它的同类，虚点是主角走过的路。阿奇的世界里，灰色是黑暗，黄色的光晕是光；萨莉的世界里，绿色的小团是食物；埃斯卡的世界里，绿色越深，食物的浓度越高。

右边是主角的内部，前端朝上，左边就是细胞自己的左边。两个深灰色圆点是感受器，旁边的数字是它的读数：阿奇读的是黑暗程度，萨莉读的是食物气味，埃斯卡显示的是经过适应之后发出的信号。箭头从感受器连到灰色三角形——执行器，箭头越粗，信号越强。执行器下面的鞭毛转得越猛，摆动越大，还会拖出残影。

顶部的标签在角色之间切换。

  • 阿奇：点按或拖动画面移动光源，也可以用下方的方向按钮精确移动。试试切换同侧接线 / 交叉接线：同样的感受器、同样的鞭毛、同样的光，只是线换了一下，阿奇的行为就整个反过来。
  • 萨莉：点按画面放下食物（绿色的小团），也可以用“在附近放食物”按钮。主角周围的虚线圆是它能闻到的范围，圆外的食物对它来说不存在。按“清空食物”，看它闻不到任何东西时怎么办。
  • 埃斯卡：点按或拖动画面移动食物源，也可以用方向按钮精确移动。世界下方的小图滚动显示主角一个感受器的读数 s、适应水平 a 和发出的信号 o，灰底表示它正在翻滚。用滑块改变适应时间 τ，或者勾选“关闭适应”，再看读数表最后一行：食物源附近（绿色虚线圆内）聚集了多少细胞。

它展示了什么

Ogi Ogas 与 Sai Gaddam 在《心智简史》（Journey of the Mind）开头用几个虚构的微生物讲“最简单的心智”。第一个是嗜盐古菌阿奇：它有两个感受器，对黑暗起反应；有两个执行器，各自转动一根鞭毛。

在这个模型里，感受器越觉得暗，就越使劲推动它连着的鞭毛。鞭毛推得更猛的那一侧会被推向前，细胞于是朝另一侧转弯：

  • 同侧接线：靠近光的那个感受器读到的黑暗更少，同侧鞭毛就慢下来，另一侧推得更猛，细胞转向光。越靠近光，两边都越亮，鞭毛都慢下来，于是阿奇停在光里。
  • 交叉接线：同样的读数被送到对侧，细胞转而背离光，而且越暗游得越快。

第二个是沙门氏菌萨莉。它的感受器对食物的气味起反应，而且只能闻到附近的食物；接线是交叉的。食物在左前方时，左感受器闻得更浓，强信号交叉送到右边的执行器，右鞭毛转得更猛，萨莉就转向左边、朝食物游去。

萨莉的执行器有三种状态，对应书里的插图：

  • 强烈的感觉信号：鞭毛强烈、稳定地转动；
  • 微弱的感觉信号：鞭毛微弱、稳定地转动；
  • 没有感觉信号：鞭毛进入“怠速”，只是微弱、不规则地颤动。两根鞭毛一会儿这根踢一下，一会儿那根踢一下，萨莉几乎不前进，只在原地翻滚，朝向随机地变。

翻滚看起来像是无所事事，其实是一种搜索：闻不到食物时换个方向，总有一次会让某个感受器重新闻到气味，交叉接线就接手把它带过去。

第三个是大肠杆菌埃斯卡。它的接线和执行器跟萨莉一样，但身体太小：浓度在一个身长之内几乎不变，左右两个感受器读到的几乎相同，交叉接线没有什么可比较的。书里的解决办法是让感受器适应：

  • 浓度突然变高：立刻向执行器发送强信号（快速反应）；
  • 浓度保持不变：信号逐渐减弱（缓慢适应），最后终止，鞭毛进入怠速，埃斯卡开始翻滚；
  • 浓度下降：没有信号，翻滚换方向。

模型里，每个感受器有一个适应水平 a，它慢慢追随读数 s：da/dt = (s − a) / τ；发出的信号是 o = k · max(0, s − a)。a 就是“刚才的浓度”，所以 o 回答的不是“这里好不好”，而是“比刚才更好了吗”。往浓处游，s 一直跑在 a 前面，鞭毛稳定转动，埃斯卡一直往前；方向不对，信号就消失，它翻滚，换一个随机方向再试。每一次翻滚都是随机的，但“往好的方向就多游一会儿”这条规则，让整群细胞慢慢聚到食物源周围。

关闭适应以后，o = s：埃斯卡在梯度里到处都收到差不多的信号，只会一直往前游、撞墙反弹，聚在食物源附近的比例就和随机分布差不多。在默认参数下，开启适应时大约一半的细胞待在食物源附近，关闭时只有约五分之一——正好是那个圆占整个画面的比例。把 τ 调得很小也会失效：记忆太短，“刚才”和“现在”几乎一样，没有什么可比较的。

这就是书里说的最简单的记忆：不是存下一段经历，而是让过去的状态留下一点痕迹，好跟现在比较。

三个角色身上都没有任何东西“知道”目标在哪里，也没有任何东西“想要”光或食物。趋光、觅食和沿梯度上行都是接线的结果，不是目的的结果。书里把这叫作心智最基本的形式：把感觉转换成行动的一套固定规则。

这个模型的边界

  • 这是简化模型。 参数（光的范围、游速、转向灵敏度）只为演示效果而设，不对应真实嗜盐古菌的尺寸、速度或感光机制。真实的嗜盐古菌靠细胞膜上的感光蛋白和化学信号通路调节鞭毛的转向，不是两根左右对称的“桨”。
  • 左右比较被放大了。 两个感受器只隔着身体的宽度，阿奇的左右读数通常只差几个百分点，所以内部视图里两个箭头大多一样粗，只有转弯时才看得出差别。模型用较大的转向增益把这点差别变成看得见的转弯。
  • 萨莉的感知范围是硬边界。 气味浓度在范围边缘平滑地降到 0，范围外完全闻不到。被吃掉的食物会消失；食物太少时，世界里会自动冒出新的一颗（按“清空食物”后不再自动补充）。
  • 真实的沙门氏菌和大肠杆菌并不靠左右两个感受器比较浓度，而是靠鞭毛马达反转引起的“奔跑—翻滚”，并通过受体甲基化这类化学过程比较不同时刻的浓度。书里用两个感受器的萨莉作为过渡，埃斯卡才引出“比较时间”这件事；这里的 a 和 τ 是对这种适应的最简化描述。
  • 埃斯卡被画大了。 为了看得清，它和另外两个角色画成一样大，但计算读数时，它的两个感受器只相隔几个单位，所以左右读数几乎相同。信号乘了一个放大倍数 k，浓度单位是任意的。

延伸阅读

  • Ogas, O. & Gaddam, S. (2022). Journey of the Mind: How Thinking Emerged from Chaos. W. W. Norton.
  • Braitenberg, V. (1984). Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology. MIT Press. ——同侧与交叉接线的小车，正是这类思想实验的源头。