苍蝇是有习性的生物

我目前正在努力过渡到一个永久的教师职位。这是一个竞争非常激烈的过程，并不是没有它的特质。每个教授都能告诉你这是一段多么艰难的时期。科学可能是唯一一个在你37岁、有12年工作经验的时候仍然被视为新手的职业。在这种情况下，你面临着巨大的压力，要尽快、尽可能多地在最负盛名的期刊上发表文章。这显然导致了大量过度炒作的进展报告的发表，这些报告的影响值得怀疑。

但这就是系统运作的方式，所以我们科学家必须按规则行事。你必须给当权者留下深刻印象，向他们展示你是一个多么敬业、勤奋、牺牲睡眠、在国际上流动、超级聪明的天才。因此，在这篇文章中，我非常感谢有机会不必为了改变而试图推销自己和我的工作，而是能够坚持科学本身的魅力。我想我会用这几段话来描述我目前试图发表的内容，以及为什么我对我们的发现如此兴奋。

我们人类的心理告诉我们，我们是自发的;我们总是有选择的;我们说了算;我们做决定。这个基本概念是任何司法系统的基础，毕竟，它使体育运动如此有趣。但科学家们已经证明，即使不是全部，也有许多精神疾病会干扰这种能力，包括注意力缺乏症、抑郁症、精神分裂症、自闭症、强迫症和妥瑞氏症。

根据你对动物世界的看法，你可能会认为只有我们最亲近的猿类或猴子亲戚，或者我们的宠物狗和猫才有类似的能力。像鱼或昆虫这样的低等生物肯定没有这种自由吧?毕竟，飞蛾只是漫无目的地绕着灯泡转，而果蝇最终不可避免地会淹死在我们的酒杯里，不是吗?

但是，如果你仔细观察，即使是一只苍蝇，在同样的情况下也不总是表现得一样。每种动物的行为总是有些变化。当然，人们可以将其归因于环境的细微变化或复杂生物机器中的随机过程，但我们决定仔细研究一下。利用一些漂亮的新硬件和相当复杂的数学，我们成功地记录并分析了苍蝇在不同环境中的飞行行为。

从这些实验中得出的结果是惊人的。我们的数据表明，苍蝇的大脑能够放大大脑或环境中任何微小或随机的波动。这种放大使得我们无法准确地判断苍蝇何时会做出下一个转弯动作，尽管我们可以大致估计出它必须发生的时间。

这种情况类似于天气，我们预测苍蝇行为的能力随着我们想要预测的时间的增加而迅速衰减。气候模型也是如此。只有当我们忽略个体和微小的波动时，我们才能做出可靠的预测。“四月随心所欲”是一句德国谚语，形容这个月的天气变幻莫测。人们用类似的短语来形容猫和其他动物。但是，与天气不同的是，我认为我们现在可能已经找到了一种研究大脑如何实现自发性的方法。

在昆虫中，苍蝇是进化程度最高的一类。为什么进化会偏爱产生如此多变行为的大脑呢?苍蝇需要能够在它们的环境中移动，寻找食物和配偶，躲避捕食者，就像所有动物一样。但如果一只苍蝇一直以同样的方式行事，捕食者就能很快预测到它的行动并抓住它。如果它以同样的方式飞行，它也永远找不到意想不到的食物。显然，所有动物为了生存都需要这种多样性，而大脑为它们提供了这种灵活性。很有可能我们人类的自发能力也是从同样卑微的开始进化而来的。

但故事并没有就此结束。拥有这种自发的行为变异还有另一个好处，但它不是直接的生存好处。大脑面临着一项艰巨的任务，即记录所有不断攻击我们的感官信息，包括视觉、嗅觉和触觉。例如，当我们转身时，整个房间在我们眼前移动。但我们感觉不到房间的移动。相反，我们知道我们感动。所以，不知何故，大脑必须记录我们刚刚做了什么，然后预测并在心里减去我们自己行为的后果，让我们忽略它们。这些期望有些是与生俱来的，但有些是需要后天习得的。

这个学习过程叫做“操作性条件作用”并因斯金纳博士训练老鼠按压杠杆获取食物而出名。关键的一点是，除非动物一开始就自发地按杠杆一两次，否则它永远不会知道这样的动作可以产生食物。因此，自发行为有双重目的:它提供了生态优势，并能够非常迅速地为操作性学习挑选出自我产生的感官输入。但是，在单个脑细胞的层面上，这种操作性学习是如何实现的呢?

到目前为止，大多数现代神经生物学研究都集中在被称为巴甫洛夫的条件反射，在这里学习外部事件之间的关系。巴甫洛夫的发现是，如果每次他喂狗的时候都响起铃声，它们很快就会知道铃声意味着食物，甚至在任何食物出现之前，它们就会一听到铃声就开始流口水。从那以后，科学家们已经证明，这样的学习过程使用了一种叫做突触可塑性的基本神经生物学原理。

突触是神经细胞或神经元之间的连接，人们认为突触中一组特定的分子和结构变化带来了学习。因为无论在哪里都能找到这些东西，人们认为这就是所有的东西。事实上，迄今为止所有被测试的动物都表现出操作性和巴甫洛夫学习，包括苍蝇。人们早就知道，不同的大脑区域控制着负责巴甫洛夫学习和操作性学习的记忆，但没有理由相信除了突触可塑性之外还有其他机制参与其中。

但几年前，在研究一种叫做海兔，我们发现另一种形式的神经元可塑性在起作用。我们发现，在这些动物的操作性学习过程中，不是突触改变了它们的活动，而是整个神经元发生了变化。具体来说，我们发现蜗牛大脑中所谓的“决策”神经元变得更容易兴奋，因此更有可能在操作性学习后被激活。重要的是，这个神经元必须被激活，才能让习得的行为重现。

现在，我们用果蝇做了一些实验，这些实验似乎表明，这两种学习方式之间的差异甚至超出了细胞水平。我们发现，30多年前在苍蝇身上发现的众所周知的巴甫洛夫学习基因并不是操作性学习所必需的。此外，另一个已知与巴甫洛夫学习无关的基因却与操作性学习有关。因此，这两种形式的学习似乎有两种不同的分子过程。同时，我的老海兔实验室对蜗牛也证实了这些发现。所以也许进化保存了这种学习机制和巴甫洛夫机制，我们有一天可以用这种知识来治疗上面提到的精神疾病?

巴甫洛夫学习和操作性学习第一次被区分开来已经有80多年了。但是，为什么要花这么长时间才发现操作性学习显然有一个单独的学习机制呢?嗯，从一开始，人们就怀疑这种机制，很多文章和书籍都写在这个主题上。但直到现在才有实验工具来解决这个问题。

除了这些技术问题之外，我们还发现了另一个延迟发现的原因。几乎每一个操作性学习情境都包含一个显性的巴甫洛夫成分，它是在任何操作性学习发生之前习得的。这可能是最好的解释，参考斯金纳的老鼠按杠杆，即使我们还不知道是否完全相同的事情发生在我们的苍蝇。在这些实验中，老鼠需要知道，要得到食物，它们必须按压杠杆。无论老鼠是用鼻子、右爪还是尾巴来压它，都没有关系。

这种学习当然是一种巴甫洛夫式的学习:按下的杠杆对斯金纳的老鼠来说意味着食物，就像铃声对巴甫洛夫的狗来说意味着食物一样。因此，在几乎所有操作性学习实验的第一阶段，动物只以巴甫洛夫的方式学习。只有当你继续训练动物，最终第二种学习机制开始发挥作用，真正的行为被学会了。心理学家多年前就知道这两个阶段，并把第二阶段称为“习惯形成”。但即使经过这种长时间的训练，研究人员仍然面临着大脑中两个记忆痕迹的梳理。

那么是什么技术进步让我们最终发现了第二种机制呢?我们开发了一些实验，在这些实验中，你可以分离出操作成分，这样动物解决任务所要学习的唯一东西就是它的行为的结果，而不需要任何外部刺激。为了找出苍蝇是否也在有外部刺激的情况下分两阶段学习，我们当然也在这些实验中添加了刺激。事实证明，果蝇不仅有两个相互作用的记忆系统，而且确实也像哺乳动物一样分两个阶段学习。令人欣慰的是，似乎人类并不是唯一有习惯的生物——苍蝇也是!