交互模拟《心智简史》里的阿奇、萨莉和埃斯卡:两个感受器、两根鞭毛,看接线、怠速翻滚和感受器适应如何产生趋光、觅食和沿梯度上行。
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。
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。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:
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:
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:
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。
a 和 τ 是对这种适应的最简化描述。k,浓度单位是任意的。