人工智能技术揭开蜘蛛织网的秘密

　　

蜘蛛如何织网？这一直是许多人感兴趣的话题。约翰•霍普金斯大学的研究人员通过夜视和人工智能来追踪蜘蛛工作时八条腿的每一个动作，准确记录了蜘蛛如何织网。

他们建立的织网算法让人们对这种生物有了新的认识。蜘蛛的大脑比人类小得多，却能够创造出如此优雅、复杂的结构，并具有几何精度。这些结果发表在《Current Biology》杂志上。

约翰•霍普金斯大学的行为生物学家Andrew Gordus谈到：“当我和儿子出去观鸟时，我第一次对这个话题产生了兴趣。在看到一张令人惊叹的网后，我想，‘如果你去动物园看到一只黑猩猩织出这样的网，你会认为这是一只了不起的黑猩猩。’”

“不过现在更令人惊讶，因为蜘蛛的大脑太小了，而我们完全不知道这种神奇的行为是如何发生的。现在，我们定义了织网的整个编排过程。”Gordus是本文的通讯作者。

几个世纪以来，仅凭触觉盲法织网的蜘蛛一直令人类着迷。当然，并不是所有的蜘蛛都会织网，而那些会织网的蜘蛛属于以其建筑作品而闻名的动物之一。在这类动物中，让人印象深刻的还有筑巢的鸟类和河豚，河豚在求偶时会在沙地上创造出美丽的图案。

Gordus领导的团队研究了一种圆蛛（orb-weaver），这是一种原产于美国西部的蜘蛛。为了在夜间观察蜘蛛织网，实验室设计了一个装有红外摄像机和红外线灯的舞台。在这种条件下，他们每天晚上监测并记录六只蜘蛛织网的过程。他们采用专为检测肢体运动而设计的机器视觉软件追踪了数百万个腿部动作。

第一作者Abel Corver表示：“即使你录制了视频，也需要在很长的一段时间内追踪多只蜘蛛的许多条腿。浏览每一帧并手工注释每条腿实在是太繁琐了，所以我们训练机器视觉软件来一帧一帧地检测蜘蛛的姿势，这样我们就可以记录下腿部在织网时所做的所有动作。”

他们发现所有蜘蛛的结网行为都高度相似，因此，研究人员仅仅观察腿部的位置就能预测蜘蛛目前织到哪一步了。

“即使最终的结构略有不同，但他们织网的规则是相同的，”Gordus谈道。“他们都使用同样的规则，这证实了这些规则是在它们的大脑中编码的。现在我们想从神经元层面了解这些规则是如何编码的。”

未来，研究人员打算使用改变思维的药物来开展实验，以判断蜘蛛大脑中的哪些回路负责织网的各个阶段。

“蜘蛛很迷人，”Corver说，“因为它的大脑是建立在与我们人类相同的基本版块上的，这项工作可以给我们提供线索，让我们更好地了解体积上更大的大脑系统，包括人类大脑，我认为这是非常令人兴奋的。”

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Abel Corver, Nicholas Wilkerson, Jeremiah Miller, Andrew Gordus. Distinct movement patterns generate stages of spider web building. Current Biology, 2021; DOI: 10.1016/j.cub.2021.09.030