文 | 追问nextquestion
扁虫并非人们所想象的那种天才生物。这种形似逗号的扁虫，可以在全球各地湖泊和池塘的淤泥中找到。它们头部微小，不过针尖大小，拥有一个被视作大脑的微型结构。两个眼斑紧挨着，使它看起来仿佛带有卡通人物般地迷茫。它只是想要平静地过着底栖生物的生活。
然而，这种微不足道的生物，却掌握了一项连人类伟大思想家都难以做到的技艺——完美的再生能力。将其一分为二，它的头部能长出新尾巴，尾巴亦能长出新头部。仅一周时间，两个全新健康的扁虫就能自由游动。
能长出新头部无疑是一项巧妙的技能。然而，吸引塔夫茨大学生物学家迈克尔·莱文（Michael Levin）的，却是扁虫的尾部。他专注于研究单细胞是如何发展成完整生物体的，这使他开始怀疑，生物的智能或许并不完全存在于大脑之中。比如，扁虫的尾部细胞也许蕴含着相当的智慧。“所有智能实际上都是集体智能，因为每一个认知系统都由若干部件构成，”莱文这样说道。对他而言，这种能在完全失去头部后仍存活下来的动物，成了理想的研究对象。
在自然环境中，扁虫更偏好平滑且有遮蔽的环境，而非粗糙和开放的环境。放置于有波纹底部的容器里，它们会聚集在边缘。大约十年前，在实验室里，莱文训练一些扁虫，让它们期待着被滴在有脊的盘子中央的美味肝脏泥。它们很快便克服了对粗糙区域的恐惧，迫不及待地穿越隔断去觅食。他也用相同的方法训练了其他扁虫，但这次是在光滑的盘子中。随后，他将这些扁虫全部斩首。
莱文丢弃了扁虫的头部部分，并等待了两周，让其尾部长出新的头部。接着，他将这些再生的扁虫放入有波纹的容器中，再次滴入肝脏作为诱饵。那些在前一世中生活在光滑容器中的扁虫显得较为迟疑。但那些之前生活在粗糙容器中，经由尾巴再生出来的扁虫，却表现出了更快地寻找食物的能力。不可思议的是，尽管完全失去了大脑，这些扁虫似乎仍保留着对肝脏奖励的记忆。但这究竟是如何做到的呢？记忆又储存在哪里？
证据表明，不仅仅是高度专业化的大脑细胞，如神经元，普通细胞也具备储存信息并根据信息行动的能力。如今，莱文已经展示出细胞是如何通过利用微妙的电场变化作为一种记忆方式来实现这一点的。这些发现使他成为一个新领域——基底认知（basal cognition）的先锋。该领域的研究人员发现，无论是在大脑内还是大脑外，都存在着智能的标志——诸如学习、记忆、解决问题的能力。
直到最近，大多数科学家都认为，真正的认知能力是从五亿年前出现的第一个大脑那一刻才开始的。在他们看来，没有复杂的神经元网络，行为不过是单纯的反射。但莱文和其他几位研究者持有不同看法。他不否认大脑的非凡，它是计算速度和能力的极致体现。然而，他认为，细胞团块和大脑之间的差异在于程度，而非种类。实际上，他怀疑认知能力可能是随着细胞开始合作来构建复杂生物体中极其艰巨的任务而进化的，之后认知能力在大脑中得到加强，以便动物能够更快地移动和思考。
这一理念正逐渐被包括机器人学家在内的各学科研究人员所认同，其中就包括与莱文经常合作的，佛蒙特大学（University of Vermont）形态学、进化和认知实验室的负责人乔希·邦加德（Josh Bongard）。“大脑是自然界最近才出现的发明之一，也是最后出现的结构，”邦加德说。他希望自下而上地构建深度智能机器。“很明显，身体的重要性不言而喻，神经认知只是锦上添花，它是圣代上的樱桃，而非圣代主体。”
▷图：日本三角涡虫（Dugesia japonica）的头部细胞和尾部细胞在生物电压上有所不同。改变电压并切除尾巴，头部就会再生出另一个头部。图源：Michael Levin
近年来，随着研究人员在各个生命王国中发现越来越多让人惊叹的、无需大脑的复杂智能例证——这些智能并不需要大脑即可存在，人们对基底认知的兴趣急剧上升。对于像邦加德这样的人工智能科学家来说，基底认知提供了一种方法，让未来的智能不必局限于模仿以大脑为中心的人类模型。对医学专家来说，则是一种激发细胞固有治愈和再生能力的有希望的途径。
对于那些关注哲学的人来说，基底认知以全新的视角展现了这个世界。也许思考是从简单的事物开始逐步构建起来的。它或许每天都在我们身边发生，只是以一种我们未能察觉的方式，因为我们不知道应当寻找什么。思维，或许无处不在。
植物的智能
虽然现在这听起来像是中世纪的观念，但在几十年前，许多科学家仍然相信非人类动物无法感受痛苦或其他情感。真正的思考？那更是不可能。心灵被视为人类的专属领域。“这是最后的堡垒，”阿德莱德大学的基底认知学者帕梅拉·莱昂（Pamela Lyon）说，她于2018年为这一领域创造了这个术语。莱昂认为，科学家坚持人类智力有质的差异，只是另一种注定失败的例外主义。“我们已经从我们所处的每一个中心位置被撤离，”她指出。地球不是宇宙的中心，人类只是众多动物物种中的一员。但真正的认知——那应该是我们与众不同的特质。
然而，随着研究人员不断记录到越来越多与我们相距甚远的生物内在的丰富精神生活，这一观念也在逐渐退却。猿猴、狗、海豚、乌鸦乃至昆虫，都被证实比人们想象的更具智慧。在行为生态学家拉斯·希特卡（Lars Chittka）2022年的著作《蜜蜂的心智》（The Mind of a Bee）中，他记录了自己数十年来关于蜜蜂的研究。他发现蜜蜂能够使用手势、识别个别人类面孔，还能记住并传达遥远花朵的位置。蜜蜂拥有喜怒哀乐，它们甚至可以因为被隐藏在花中的机械蜘蛛抓住，这样的近乎死亡的经历而受到心灵创伤。（谁不会呢？）
但蜜蜂当然拥有实际的大脑，所以它们展现出的一点点聪明，并不真的颠覆传统的范式。更大的挑战来自于我们没有大脑的亲属所展现出的令人惊讶的复杂行为。“神经元不是什么神奇的细胞，”佛罗伦萨大学的植物学家斯特凡诺·曼库索（Stefano Mancuso）说，他著有数本关于植物智能的书籍。“它仅仅是一种能够产生电信号的常规细胞。在植物体内，这几乎是每个细胞都能做到的事情。”
在植物世界中，含羞草的羽毛状叶子在受到触摸时，通常会迅速合拢并下垂，这是其防止被食的一种防御机制。然而，当意大利西澳大利亚大学和佛罗伦萨大学的科学家团队通过在一天内持续而温和地摇动含羞草，使其适应这种刺激时，它很快就学会了忽略这种触摸。最令人注目的是，即使在科学家们停止干扰一个月后再次进行测试，含羞草依旧记得这次经历。类似的，其他植物也有着各自的独特能力。例如，捕蝇草能进行计数，仅当其陷阱上的两根触感毛快速连续被触摸时才闭合，且只有在触感毛再被触摸三次后，才会向关闭的陷阱注入消化液。
▷图：植物利用生物电进行交流并采取行动。如果你在捕蝇草（右）上刷一根感觉毛发，并且将捕蝇草连接到一株含羞草（左）上，那么含羞草就会迅速合拢并下垂。图源：Natalya Balnova
这些植物中的反应都是由电信号介导的，与动物类似。将捕蝇草与含羞草通过导线连接，触摸捕蝇草上的触感毛就能使含羞草叶子发生反应，甚至整株植物都会出现崩溃现象。这些以及其他植物还可以被麻醉气体所制服，它们的电活动将停止，变为平线，不再响应外界刺激，就如同失去意识一样。
植物对周围环境的感知能力是惊人的。它们能区分自身的一部分和其他物体所造成的遮挡。它们能够探测到流水的声音并朝其方向生长，以及它们能感知蜜蜂翅膀的声音并准备分泌花蜜。当它们被昆虫啃食时，植物会产生令害虫厌恶的防御性化学物质作为应对。它们甚至能感知到邻近植物正在遭受攻击：科学家向水芹播放了嚼食毛虫的录音，这足以促使植物向叶片输送芥末油。
植物的行为常因我们对其过于熟悉而被轻视。它们似乎知道自己的形态，并能根据周围的景观、声音和气味来规划未来的生长，做出复杂的决策，预测资源和潜在危险可能出现的位置。这些行为无法简单归纳于某种通用公式。正如西班牙穆尔西亚大学最小智能实验室的主任、《智慧植物》（Planta Sapiens）一书作者帕科·卡尔沃（Paco Calvo）所指出，“植物必须提前规划以实现目标，为此，它们需要综合考虑大量数据。它们需要主动地、适应性地与周围环境互动，并思考未来。它们根本无法承受不这样做的代价。”
单细胞生物的智能
所有这些并不是说植物是天才，但在它们有限的能力范围内，它们确实展现出了对自身世界的深刻感知，并利用这些信息来获取所需的东西——这是智力的关键组成部分。再次强调，植物相对简单——没有大脑，但拥有大量的复杂性和数万亿个细胞可供使用。但对于单细胞生物来说，情况就不同了，它们传统上几乎被所有人归类为“无意识”。如果变形虫能够思考，那么人类就需要重新考虑各种假设。
然而，对于池塘淤泥下单细胞生物也能思考的证据与日俱增。以黏菌为例，这种看似融化的奶酪般的细胞堆，它会渗入世界各地的森林中，消化着死去的植物。黏菌虽然可能有地毯那么大，但它实际上是一个拥有许多细胞核的单细胞生物。尽管缺乏神经系统，黏菌却展现了惊人的问题解决能力。当日本和匈牙利的研究者将黏菌放在迷宫一端，而另一端放置燕麦片时，黏菌就开始做它擅长的事——探索寻找美味的可能途径。一旦找到燕麦片，它就会从所有死胡同中撤退，集中身体于通向燕麦的路径上，每次都选择最短的路线（实验存在四种可能完成任务的路线）。这个实验启发研究者们后来将燕麦片按照东京人口结构的位置和数量摆放，结果黏菌竟然扭曲成了一个类似东京地铁系统地图的样式。
这种解决问题的能力，虽然可以被视为是简单算法的运用，但是其他实验却明确地揭示了黏菌具有学习的能力。当法国国家科学研究中心的奥黛丽·杜苏图（Audrey Dussutour）将燕麦片放在铺有黏菌厌恶的咖啡因的桥的另一端时，黏菌在最初几天显得颇为困惑，努力寻找越过桥梁的办法，它们的行为好比是蜘蛛恐惧症患者试图避开一只狼蛛。在饥饿的驱动下，它们冒险穿过了咖啡因桥，享受了燕麦片，很快就对原本厌恶的事物失去了抵触感。黏菌克服了自己的顾虑，从经验中学习，并在一年的假死状态后，它们仍保留着这段记忆。
这让我们回到那些被斩首的扁虫。没有大脑的生物怎么可能记住任何事情呢？记忆究竟存储在哪里？它的心智又在何处？
生物电的妙用
传统上，人们认为记忆存储在大脑中，准确地说是存储在神经元间稳定的突触连接网络里。“显然，这种观点正在受到挑战，”莱文如是说。一些挑战来自于加州大学洛杉矶分校的神经科学家大卫·格兰兹曼（David Glanzman）的实验。格兰兹曼通过从经过电击的海蛞蝓大脑中提取RNA，并将其注入未经电击的海蛞蝓大脑中，实现了将电击记忆从一个海蛞蝓转移到另一个海蛞蝓的过程。接受RNA的海蛞蝓随后“记住”了如何避开电击。如果RNA可以作为记忆储存的媒介，那么任何细胞都有可能拥有这种能力，而不仅限于神经元。
事实上，细胞群体可能具备整合经验的机制。所有细胞都在其细胞骨架和基因调控网络中拥有许多可调整的部分，可以设定在不同的配置中，这些配置或许能为将来的行为提供信息。在被斩首的扁虫的案例中，科学家们还没有确切答案，但也许剩余的身体正在其细胞内部储存信息，这些信息随后能够在重建其余部分时传达给整个生物体。也许对于粗糙地面的反应已经在它们的神经系统中发生了改变。
然而，莱文认为，正在发生的事情可能更加引人入胜：这种印象不仅储存在细胞内，还可能储存在它们通过生物电，即流经所有生物体的微妙电流的交互状态中。莱文职业生涯的大部分时间都在研究细胞集体在形态发生——即身体结构构建过程中如何通过交流解决复杂问题。它们是如何协同工作，在恰当的位置构建四肢和器官？答案之一似乎与生物电息息相关。
▷图2.RETFound基础模型的开发和评估示意图。阶段1：使用来自MEH-MIDAS的CFP和OCT图像以及公共数据集，通过SSL构建RETFound。阶段2：通过内部和外部评估的监督学习使RETFound适应下游任务。图源：论文。
几个世纪以来，人们已经知晓人体内流淌着电流，但直到最近，大多数生物学家认为它主要用于神经信号传递。例如，通过青蛙的神经系统传递一些电流，可以引发其腿部动作。神经元使用生物电来传输信息，但大多数科学家认为这主要是大脑特有的功能，而非身体的普遍特性。
然而，自20世纪30年代起，就有一小部分研究人员发现，除了传统认知的细胞外，其他类型的细胞似乎也在利用生物电来存储和交换信息。莱文深入探究这一非传统研究领域，并借助他的计算机科学背景，实现了认知领域的一次飞跃。他在大学期间依靠编程维生，深知计算机是如何利用电流在晶体管间切换0和1，构建出所有计算程序的二进制基础。因此，当他还是本科生时，得知身体内所有细胞膜上都有类似电压门的通道，这些通道允许不同水平的电流通过，他立刻意识到这样的机制可以像晶体管一样工作，细胞便能利用这种电力驱动的信息处理方式来协调其活动。
为了验证电压变化是否真的改变了细胞间信息传递的方式，莱文转向了他的扁虫研究。在2000年代，他发明了一种方法来测量扁虫任意部位的电压，并发现头部与尾部的电压存在差异。当他用药物将尾部的电压调整至通常在头部发现的电压时，这些扁虫并未受到影响。但是，当他将扁虫切成两半，经过处理的一端竟然再生出了第二个头部而非尾部。更令人惊讶的是，当莱文再次将这些新生的扁虫一分为二时，两个头部的每一端都能再生出新的头部。虽然这些虫子在基因上与常规扁虫没有差异，但一次性的电压调整导致了它们的永久性双头状态。
为了进一步证实生物电能控制生物形态和生长，莱文将研究对象转向非洲爪蟾——一种实验室常见的动物，能从卵迅速发育成蝌蚪，再成长为成年个体。他发现，通过在蝌蚪身上特定部位诱导特定的电压，便能在任意位置促使一个功能性眼睛的生成。仅通过在伤口上施加正确的生物电特征24小时，他便能诱导出功能性的腿部再生。细胞从此开始了它们的工作。
“这就像一个子程序调用，”莱文说。在计算机编程中，子程序调用是一段代码（一种速记），它指令计算机启动一系列更基础的机械操作。这种高级别编程的魅力在于，它让我们得以控制数十亿个电路，无需亲手打开机器调整每一个部件。构造蝌蚪眼睛的过程就是如此。无需微观管理虹膜、视网膜以及眼睛的所有其他部分。所有这些都可以在生物电层面上得到控制。“这实际上是认知的粘合剂，”莱文补充说。“这是让众多细胞能够协同工作的要素。”
潜在应用
莱文认为，这一发现对我们理解认知的进化和人类医学均有重大意义。学会“与细胞对话”——通过生物电来协调细胞的行为——可能助我们在治疗癌症方面取得突破，癌症发生于身体某部分停止与其它部分协作的情形下。正常细胞被编程作为整体的一部分，坚守它们被分配的任务——如肝细胞、皮肤细胞等。而癌细胞则停止履行它们的职责，开始将周围的身体视为陌生环境，独立寻找营养、繁殖并自我保护。换句话说，它们的行为更像是独立的生物。
为何细胞会丧失它们作为一个群体的身份呢？莱文指出，部分原因可能是维持细胞心智融合的机制出现故障。“压力、化学物质、基因突变都可能导致这种通信机制的崩溃，”他解释说。他的团队已成功证明，仅仅通过在健康组织上施加“不良”生物电模式，就能诱导青蛙产生肿瘤。这就仿佛癌细胞停止接收正常的指令，变得无法控制。
更让人着迷的是，莱文通过重新施加适当的生物电模式成功消除了肿瘤——实际上是重建了那些失序的癌细胞与身体之间的通信，好比是他将失联的细胞重新纳入了整体之中。他推测，在未来某个时刻，生物电治疗或许能够应用于人类癌症，阻止肿瘤的生长。如果科学家能够解码出指导细胞以正确模式生长的生物电代码，这项技术还可能用于再生那些衰竭的器官——例如肾脏或心脏。事实上，莱文已展示出，在接受恰当的生物电刺激后，那些出生时大脑受到严重损伤的动物，能够发展出正常的大脑结构。
莱文的研究始终聚焦于具有切实应用的领域，如癌症治疗、肢体再生和伤口愈合。但在过去几年里，他开始将哲学的思维引入他的论文和演讲之中。“这是一个缓慢的过程，”他承认，“这些想法我已经酝酿了几十年，只是在过去讨论这些似乎还未成熟。”
这种情况的转变，始于他2019年发表的一篇引人注目的论文《自我的计算边界》*。在这篇论文中，他利用自己的实验结果来论证，我们每个人都是由微小而擅长解决问题的智能体所组成的集体智能构建而成的。正如佛蒙特大学的邦加德在《纽约时报》中所说，“我们是由智能的机器组成的智能机器，这种智能从器官层面逐层向下直到细胞层面。”
* Levin, Michael. "The computational boundary of a “self”: developmental bioelectricity drives multicellularity and scale-free cognition." Frontiers in psychology 10 (2019): 2688.
对莱文而言，这种认识部分来源于他对非洲爪蟾身体发育的观察。在蝌蚪变成成体的过程中，它们的面部结构经历了巨大的重塑。头部形状发生改变，眼睛、嘴巴和鼻孔都迁移到了新的位置。尽管人们普遍认为这些*是由基因直接编码的简单机械过程所驱动，但莱文对此提出了质疑。他通过电击干扰青蛙胚胎的正常发育，创造出了眼睛、鼻孔和嘴巴位置全错位的蝌蚪，他戏称它们为“毕加索蝌蚪”，因为它们看上去确实异常怪异。
如果这种重塑过程是预先设定的，那么在电击影响了表观遗传调控之后，成年青蛙的面部排列应与蝌蚪时期一样混乱。然而，莱文惊讶地发现，在蝌蚪变成青蛙的过程中，眼睛和嘴巴找到了正确的位置。细胞似乎有一个抽象的目标，并共同努力实现它。“这是智能行为，”莱文写道，“它体现为在变化的环境中采取新策略，以达成特定的目标或解决问题。”通过生物电的方式融合成一个类似蜂巢的心智，细胞实现了超越我们最佳基因驯化者的生物工程所带来的壮举。
对智能的重新理解
莱文的工作引起了人工智能和机器人学领域的极大兴趣，这些领域在基底认知方面看到了一些解决其核心弱点的方法。尽管人工智能在语言操控或玩规则明确的游戏上表现出色，但在理解物理世界方面，它们仍然面临巨大挑战。它们能够创作出莎士比亚风格的十四行诗，但若让它们学习行走或预测球沿山坡的滚动路径，便显得束手无策。
邦加德认为，这是因为这些人工智能系统在某种意义上过于轻率（heady）。“如果你和这些系统打交道，你会发现它们的缺陷。这些缺陷往往与常识和因果关系有关，这正指向了需要身体的原因。有了身体，你可以学习因果关系，因为你可以引起效果。而这些人工智能系统无法通过接触世界来学习。”
邦加德是“具身认知”运动的先锋，该运动旨在设计出能够通过监测其与世界互动的方式来了解世界的机器人。关于具体认知在行动中的例子，只要看看他一岁半的孩子就知道了，“他可能正在厨房里制造混乱。这正是幼儿的行为。他们在字面上和隐喻上都在探索世界，并观察世界如何作出反应。这种探索行为是无情的。”
邦加德的实验室利用人工智能程序设计出由柔性、类似乐高积木的方块组成的机器人，他将其形容为“机器人版的《我的世界》”。这些方块能像肌肉块一样工作，使机器人能够像毛毛虫那样移动。这些由人工智能设计的机器人通过不断试错学习，增加或减少方块，从而“进化”成更具移动性的形态，效果最差的设计被淘汰。
2020年，邦加德的人工智能找到了使机器人行走的方法。这一成就激发了莱文的实验室使用显微手术从非洲爪蟾身上取出活体皮肤干细胞，并在水中将它们压紧在一起。这些细胞融合成一个芝麻大小的团块，并协同行动。皮肤细胞拥有纤毛，通常用于在成年蛙的表面维持一层保护性粘液，但这些新创造的生命体则利用纤毛像桨一样在水中划动。它们能够穿越迷宫，甚至在受伤时闭合伤口。这些细胞超越了它们在生物体内固有的局限角色，化身为全新的存在，努力适应自己的新环境。
尽管它们拥有与青蛙完全相同的基因组，但它们绝不是青蛙。由于这些细胞最初来源于爪蟾属（Xenopus）的青蛙，莱文和邦加德将这些生物命名为“异形机器人”（xenobots）。到了2023年，他们进一步展示了另一种壮举：利用人类肺细胞片段创造的生命体。这些人类细胞团块自组装并以特定方式移动，塔夫茨团队将它们命名为“人形机器人”（anthrobots）。
▷Brown Bird Design; Source: “A Scalable Pipeline for Designing Reconfigurable Organisms,” by Sam Kriegman et al., in PNAS, Vol. 117; January 2020，制图/翻译：存源
对莱文而言，异形机器人和人形机器人是需要我们重新思考认知在现实世界中如何发挥作用的另一个例证。“当你询问一个特定生物时，你会问‘它为什么拥有现在的形状？它的行为为什么是这样的？’答案通常与进化有关。它是经过数亿年自然选择的结果。但猜猜怎样？异形机器人从未存在过。从未有任何压力去成为一个优秀的异形机器人。那么这些生物在发现自己来到这个世界后24小时内，为什么就会做出这样的事情呢？我认为这是因为进化不仅仅是针对特定问题创造出特定解决方案，而是创造出能够解决问题的机器。”
当然，异形机器人和人形机器人的能力相当有限，但它们或许提供了一个窗口，展示了当具有特定目标和需求的个体单元聚集在一起合作时，智能可能如何自然地扩展。莱文将这种向创新的内在倾向视为进化的驱动力之一，推动着世界朝着查尔斯·达尔文所说的“无尽形式之最美”的状态发展。“我们还没有为此建立一个完善的词汇来描述这一点，”他说，“但我真诚地相信，这一切的未来看起来更像是精神病学的谈话，而不是化学的谈话。我们最终将会对压力、记忆和吸引力进行计算。”
莱文希望这种视角能帮助我们克服接纳与我们自身截然不同的意识形态的挑战，无论这些意识是基于粘液还是硅。阿德莱德大学的莱昂认为，认识到我们与自然界其他生命的深层联系，是基底认知所承诺的真正意义所在。“我们总认为自己是造物之冠，”她说。“但如果我们开始意识到，我们与草叶、我们肚子里的细菌有更多的共同点——我们在非常深层次上是相互连接的——那将彻底改变我们作为地球上人类存在的整个观念。”
事实上，莱昂说，生活本身就是一种默认的认知状态。每个细胞都需要不断地评估周围环境，决定什么可以进入、什么需要排除，并规划下一步行动。认知并非进化晚期才出现的产物。它是使生命成为可能的基础。
“你看到的所有生命都在做这种了不起的事情，”莱昂指出。“试想，如果一架飞机能做到这一点，它会从外界吸收燃料和原材料，同时制造出自身的组件，还有制造这些组件所需的机器，并在飞行中自我修复。这么看来，我们所做的一切简直就是一个奇迹。”
- 原文：https://www.scientificamerican.com/article/brains-are-not-required-when-it-comes-to-thinking-and-solving-problems-simple-cells-can-do-it/
