果蠅似乎和電腦沒(méi)有什么共同之處，但索爾克研究所的一項(xiàng)新研究表明，果蠅和電腦以相似的方式識(shí)別新信息。這項(xiàng)研究成果于2018年12月3日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上，它不僅闡明了一個(gè)重要的神經(jīng)生物學(xué)問(wèn)題——生物體如何檢測(cè)新氣味——而且可能改進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)中新奇事物檢測(cè)的算法。

“當(dāng)一只蒼蠅聞到一種氣味時(shí)，它需要迅速判斷自己以前是否聞到過(guò)這種氣味，判斷這種氣味是否是新的，是否值得注意，”索爾克綜合生物實(shí)驗(yàn)室的助理教授、這篇論文的共同通訊作者薩克特·納夫拉卡(Saket Navlakha)說(shuō)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，這是一項(xiàng)重要的任務(wù)，稱為新奇檢測(cè)。了解新奇感檢測(cè)策略如何在這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行比較，可以讓我們對(duì)大腦算法和計(jì)算有價(jià)值的見(jiàn)解。研究人員表示，他們的新框架可能有助于在大型流數(shù)據(jù)集(如患者數(shù)據(jù)庫(kù)或新聞報(bào)道)中檢測(cè)重復(fù)或異常。

2017年，Navlakha發(fā)現(xiàn)蒼蠅的大腦是如何識(shí)別類似氣味的。他發(fā)現(xiàn)，將fly算法應(yīng)用到計(jì)算機(jī)的“相似度搜索”(比如那些建議購(gòu)買(mǎi)與你過(guò)去購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品相似的產(chǎn)品的搜索)可以改善搜索結(jié)果。

這項(xiàng)新的PNAS研究是基于另一篇發(fā)表在2017年《細(xì)胞》雜志上的論文[h服部等人]，該論文描述了蒼蠅如何檢測(cè)全新的氣味。當(dāng)Navlakha讀到這項(xiàng)研究時(shí)，他被果蠅似乎是如何使用一種類似于計(jì)算工具的策略所震驚，這種方法被稱為Bloom filter，用于新奇事物的檢測(cè)。

當(dāng)像谷歌這樣的搜索引擎抓取Web時(shí)，它需要知道它所遇到的網(wǎng)站是否以前被索引過(guò)，這樣它就不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間再次索引相同的站點(diǎn)。問(wèn)題是，網(wǎng)絡(luò)上有上萬(wàn)億的網(wǎng)站，而將它們?nèi)看鎯?chǔ)在內(nèi)存中的計(jì)算成本很高。上世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院(MIT)的霍華德•布魯姆(Howard Bloom)設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以緊湊地存儲(chǔ)大型項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)。Bloom過(guò)濾器不會(huì)將每一項(xiàng)數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，而是只使用每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的少量空間來(lái)存儲(chǔ)每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的一個(gè)小“指紋”。通過(guò)檢查相同的指紋是否在數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)兩次，系統(tǒng)可以快速確定該指紋是重復(fù)的還是新穎的。

眾所周知，果蠅對(duì)新氣味的反應(yīng)會(huì)改變它們的行為。蒼蠅大腦中一個(gè)叫做蘑菇體的區(qū)域，包含了一組處理嗅覺(jué)信息的神經(jīng)元。當(dāng)聞到一種新的氣味時(shí)，這些神經(jīng)元會(huì)發(fā)出“新奇警報(bào)”信號(hào)，這樣蒼蠅就知道這種氣味是新的，值得研究。但是，如果氣味沒(méi)有產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，下一次聞到氣味時(shí)，警報(bào)信號(hào)的強(qiáng)度就會(huì)降低，蒼蠅就不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間研究氣味。這是一個(gè)重要的計(jì)算，因?yàn)樯n蠅想要注意的東西，只有當(dāng)它值得的時(shí)候。這種蒼蠅蘑菇狀身體的新奇信號(hào)是通過(guò)一種氣味指紋生成的，這種氣味類似于Bloom過(guò)濾器的“數(shù)據(jù)指紋”。

加州大學(xué)圣地亞哥分校計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程教授、這篇新論文的第一作者桑喬伊•達(dá)斯古普塔(Sanjoy Dasgupta)表示:“機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)根本挑戰(zhàn)是找到適用于廣泛任務(wù)的數(shù)據(jù)表示形式。”“蒼蠅的嗅覺(jué)系統(tǒng)向我們展示了一種簡(jiǎn)單而巧妙的方法。”

通過(guò)從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度分析，細(xì)胞論文中識(shí)別的神經(jīng)回路產(chǎn)生了這種新奇的信號(hào)，Navlakha和Dasgupta發(fā)現(xiàn)果蠅給傳統(tǒng)的Bloom過(guò)濾器引入了一些新花樣，他們的團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)闡述和定義。

第一個(gè)難題不僅僅是確定你以前是否聞到過(guò)完全相同的氣味，而是確定你是否聞到過(guò)這種氣味，或者類似的氣味。這在大腦中很重要，因?yàn)槟愫苡锌赡苡肋h(yuǎn)不會(huì)兩次聞到完全相同的氣味。第二個(gè)難題是確定你多久以前就聞到了這種氣味。如果是很長(zhǎng)一段時(shí)間，那么這種氣味的新奇程度應(yīng)該比你最近聞到的氣味要高。

基于果蠅的布魯姆濾波變種，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)新的算法框架來(lái)預(yù)測(cè)果蠅的新奇反應(yīng)。他們?cè)谏n蠅被連續(xù)呈現(xiàn)成對(duì)氣味時(shí)收集的研究數(shù)據(jù)上測(cè)試了他們的框架。研究小組的新奇預(yù)測(cè)結(jié)果與蘑菇體神經(jīng)元的實(shí)際新奇反應(yīng)非常吻合，驗(yàn)證了他們的框架的準(zhǔn)確性。Navlakha的團(tuán)隊(duì)隨后在幾個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集上測(cè)試了該框架，發(fā)現(xiàn)與其他類型的新奇感檢測(cè)過(guò)濾器相比，蒼蠅的Bloom過(guò)濾器提高了新奇感檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

Navlakha補(bǔ)充說(shuō):“這項(xiàng)工作讓我們特別興奮的是，它代表了在大腦中發(fā)現(xiàn)的最早的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，以及一個(gè)簡(jiǎn)單的算法，它可以幫助大腦進(jìn)行新奇的檢測(cè)。”