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果蠅腦裡的指南針

這條線沒做成。

2026-10-04 後續:拿掉一部分人給的設定;接進全靠感測器飛的無人機

一、哪些人給的設定可以拿掉

找 20 個新的學習者。每次只換掉一項,再跟原本的做法一對一比較。「可以拿掉」的標準事先就定好:不比原本的做法差超過 5°。

學後航向誤差(中位)越短越好;最右欄的 ✓ / ✗ 是「這個人給的部分能不能拿掉」
(原本的做法,全部由人給)15.5°
指南針那一圈的底電流(人給 12.5 mV)16.8°
每顆視覺細胞看哪一塊(感受野;人給的是均勻排列)21.6° / 20.4°
亮度校準(原本是先在原地轉一圈來校準)18.7°
亮度校準讀不出
學習時的老師(原本是完全不會跑掉的正確方向)23.2° / 49.0°
看原始表格
換掉什麼改成什麼學完後的方向誤差(中位數)可以拿掉嗎
(原本的做法,全部由人給)—15.5°—
指南針那一圈的底電流(人給 12.5 mV)讓它自己調:像恆溫器一樣,把這一圈細胞的整體放電維持在學習時的水準,底電流跟著自動調整(恆定性控制)16.8°✓ 可以。自己調到 11.3 mV 就穩定下來,沒有任何學習者被自我檢查擋掉
每顆視覺細胞看哪一塊(感受野;人給的是均勻排列)照果蠅腦的接線圖往上游追,推出每顆細胞看哪裡21.6° / 20.4°✗ 不行。能用,但比較差(平均差 3.5° / 6°)
亮度校準(原本是先在原地轉一圈來校準)飛行中慢慢自己適應18.7°✗ 不行。能用,差一點就過;但一次比了好幾項,照統計規矩把標準收嚴之後不算過(多重比較校正)
亮度校準完全不做讀不出✗ 不行。20 個全部學不起來
學習時的老師(原本是完全不會跑掉的正確方向)老師自己的方向也會慢慢跑掉23.2° / 49.0°✗ 不行。跑掉得少時還能學,但差 7°;跑掉得多就學壞(指南針跟著老師一起跑掉)
二、把學過的指南針接進全靠感測器飛的無人機

二、把學過的指南針接進全靠感測器飛的無人機

這架無人機原本靠兩樣東西知道自己朝哪裡:陀螺儀(量轉動的感測器),加上看天空認方向的羅盤。後者看的是天空的偏振光(太陽光在天空形成的固定圖樣,昆蟲靠它認方向)。要問的是:陀螺儀很差的時候,學過的指南針能不能取代看天空認方向的羅盤。

  • 第一版:指南針每 0.1 秒最多可以把無人機估的方向拉動 12°。修正太猛。用到指南針的飛行,八成以上在 3–4 秒內翻機、掉高度。
  • 限制修正幅度之後(每 0.1 秒最多 0.5°):不再翻機。但指南針在飛行中本身就不準,誤差約 42°。(2026-10-04 更正:在原地做自我檢查時,它讀出來的方向誤差本來就約 29°,飛行只再多約 8°。之前說的 15–19° 是「修正方向跑掉」整個任務的誤差,不是指南針讀數本身的誤差。)只有陀螺儀很差(每秒漂 20°)時有一點幫助:方向誤差約 40° → 35°,40 場飛行裡抵達終點的從 1 場變成 5 場。事先寫好的判定標準要求誤差降到 0.7 倍以下、失敗次數接近「方向完全正確」時的水準,遠遠不到。陀螺儀普通或中等時,沒有幫助。

能說:底電流這個人給的數字,可以換成「讓這一圈細胞自己維持放電水準」的控制,成績幾乎不變。(照實標明:這是模仿生物體自我維持穩定的工程做法,沒有直接的文獻數值。)限制修正幅度之後,學過的指南針接進無人機不會把它弄翻;陀螺儀很差時有一點點幫助。

不能說「指南針已經不需要人給的設定」。感受野、亮度校準、老師都還是人給的。(恆定性控制調多快、上下限在哪,也是人給的,只是它們不決定最後穩定在哪個狀態。)

也不能說「學過的指南針能取代看天空認方向的羅盤」。飛行中誤差約 42°,目前不能取代。要往下走,得先讓它在飛行的條件下讀得準,那是新的問題。

試了 129 組參數,沒有一組同時做到三件事

顯示

每一直欄是一組參數設定。由上而下三格分別是 (a) 跟得上轉、(b) 蒙眼記得住、(c) 蒙眼還能轉。實心是通過,空心是沒過。滑鼠移上去可以看是哪一組。

上面的按鈕可以切換兩種「左右對位」的設定,也可以切換看真腦還是假腦。按鈕和圖上寫的「真實接線」就是真腦,「打亂接線」就是假腦。圖下方那行字會列出目前這個畫面各有幾組通過。

文字說明

這一頁在講什麼

這條線沒做成。果蠅腦裡有一圈神經細胞,功能像指南針:頭轉到哪個方向,這一圈上就有一個亮點(一小群正在活動的細胞)跟著轉到那裡,蒙住眼睛也還記得住。我們想用真腦(照真果蠅的接線)在電腦裡重現它。如果成功,無人機就能靠腦自己判斷方向。結果沒有成功。這一頁記錄試過什麼、卡在哪裡。

文字說明

2026-10-03 後續:改走「學習」的路,做出來了

這一頁講的是「不靠學習、只用接線」那條路,已經正式結束。之後改走學習的路。做法:讓指南針那一圈細胞在原地看 12 分鐘周圍的景物,用一條在果蠅身上量到的學習規則(Kim 2019),把「看到什麼」和「朝哪個方向」配對記起來。學完再拿它去修正無人機飛行控制程式的方向估計(這個估計會慢慢跑掉)。

結果:在模擬無人機上成立。方向誤差約 15–19°,不修正的話約 33°(做了兩批,每批 40 個新的學習者)。改用模擬相機拍的 360° 畫面,結果也一樣(約 17°)。

仍然由人給的部分:每顆視覺細胞看哪一塊(感受野)、亮度的校準(亮度正規化)、固定加給細胞的一股電流(底電流),以及「學壞了就不用」的自我檢查。(2026-10-04 補:底電流已經可以拿掉,見下一段。)

先看懂兩個詞

先看懂兩個詞

真腦(照真果蠅的接線):照果蠅大腦實際的接線,一條都不改。

假腦(接線被隨機打亂):零件一樣、電線一樣多,只是把「哪條線接到哪裡」隨機換掉。

就像一個城市:路口數量、每種道路有幾條都一樣,但每條路通到哪裡是亂抽的。兩張地圖的統計數字一模一樣,差別只在「誰連到誰」。

為什麼要比:如果只有真腦做得到,才能說功勞在果蠅大腦的接法。如果假腦也做得到,就只是「零件夠多」而已,跟接法無關。

要同時做到三件事才算過

要同時做到三件事才算過

(a) 跟得上轉 頭慢慢轉一整圈,亮點要跟著轉到對應的位置。
(b) 蒙眼記得住 先給一個方向,讓亮點出現。然後切斷所有輸入。亮點要留在原地,不散掉、不跑走。
(c) 蒙眼還能轉 一樣切斷輸入,但告訴它「你正在用某個速度轉身」。亮點要往正確的方向移動對應的角度。

三項都是事先寫好的判定標準。門檻多少、看哪一段時間、從哪個角度開始、重複幾次,都在看到結果之前寫進測試檔,之後沒有改過。另外還要求一個對照組(拿來比的那一組):假腦必須三項都不過。不然就不能說成績來自真腦。

卡在哪裡:「記得住」和「轉得動」沒辦法同時做到

卡在哪裡:「記得住」和「轉得動」沒辦法同時做到

把兩張圖的第二列和第三列對照著看就清楚了:(b) 記得住通過的組數遠多於 (c) 還能轉,而且兩者幾乎沒有重疊。後來查出原因:兩件事都受同一個設定控制,就是細胞反應的快慢(時間常數)。

  • 調慢:亮點穩得住,蒙眼後留在原地((b) 過)。但「你正在轉身」的訊號推不動它((c) 不過)。
  • 調快:亮點推得動了((c) 有機會過)。但蒙眼後很快就散掉或跑走((b) 不過)。

這不是「還沒調到對的值」。是兩個需求在同一個設定上往相反方向拉。要同時滿足,得讓這一圈的不同部分反應快慢不一樣,或是加上「看當下狀態決定要不要壓抑」的機制。那已經超出「只用接線圖、不另外設計機制」的前提。

用預設值時更乾脆:整圈熄掉

最一開始什麼都不調,直接拿真腦裡細胞之間的接點數量當連線強度。給方向輸入時,組成指南針那一圈的細胞(EPG)放電還有 。一切斷輸入就掉到 。亮點不是跑走,是整個消失。10 個起始角度全部沒過。

其他試過的路

  • 調不同種類細胞之間的連線強度(分七個步驟):這一圈撐得住了,但亮點會自己以每秒約 90 度轉起來,「你正在轉身」的訊號反而推不動它。
  • 看當下狀態開關連線(直走時關掉一組連線、轉身時關掉另一組):就是上圖的 81 組(圖上標「狀態相依閘門」)。
  • 只放寬某一種細胞的反應快慢:上圖的 48 組(圖上標「放寬單一型別的反應速度」)。這是最接近的一次,有三組同時過了 (a) 和 (b),但 (c) 沒過。
  • 讓電腦自動調這一圈裡每條連線的強弱(梯度下降,一種機器學習的調整方法):在練習用的資料上,假腦的誤差比真腦還低。正式評估沒過。
  • 照一個果蠅視覺研究(flyvis)的做法,把每種細胞之間的連線強度換算到同一個尺度,不做訓練:跟得上轉,而且只有真腦跟得上。但記不住。
  • 2026-09-25 補:反應快慢取中間值(40 / 50 / 60 毫秒,只調組成指南針那一圈的細胞這一種):50、60 毫秒記得住但轉不動,40 毫秒轉得動但記不住。中間沒有兩樣都夠的值。這條路結束。
  • 2026-09-25 補:讓機器學「每種細胞連到每種細胞」的強度,再加上每種細胞自己的基準電位和反應快慢(假腦也用同樣方法學):只學會「跟得上」,而且只有真腦學得會(假腦學不會)。「記得住」還是完全學不到,反應速度反而被學得更快。
  • 2026-09-26 補:同上,但練習的時間改成跟考試一樣長:還是只學會「跟得上」(只有真腦學得會)。上一次看起來「學會轉」,原來只是因為練習比考試短;拉長之後就轉不動了。「記得住」仍然學不到。

這一頁不能說什麼

  • 不能說「果蠅腦做不到」。真的果蠅當然辦得到。沒做到的是這個組合:用這張接線圖、放進這個簡化過的神經細胞模型、不另外設計機制。
  • 不能說「參數再調就會過」。129 組是事先定好的一整張表,不是調到過為止。而且卡住的原因是兩個需求互相拉扯,不是單純沒調準。
  • 對照組很乾淨:假腦在任何一組設定下,都沒通過任何一項。所以上圖的綠色實心格確實來自真腦,不是隨便一個網路都做得到。
文字說明

給想查原始紀錄的人:「接進全靠感測器飛的無人機」那一段,對應的實驗編號是 M4。