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发布日期:2024-05-28 02:33    点击次数:93

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学习(learning)作为一个心境和剖判的宗旨,是指获取新的意会、学问、步履、时期、价值不雅、气派和偏好的历程。传统上咱们认为,学习是具有高等剖判功能的生物体才具备的才气。关联词,学习的畛域在那处?它到底是如何发生的?有些接洽者认为,咱们能学习,可能是因为每一个单独的细胞王人能“学习”。

“单细胞学习”这个宗旨最早出现于 20 世纪中世,仍是面世就饱受争议。在千里寂了几十年后,最近,这个问题又再行获取了接洽东说念主员的关注。接洽东说念主员但愿能弄明白,在有脑和无脑的情况下,剖判王人是如何形成的。

01

充满争议的早期接洽

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1960 年,比阿特丽斯·盖尔伯(Beatrice Gelber) 在亚利桑那州的图森市开设了一家名为基础健康接洽所(Basic Health Research Institute)的机构。当地的报纸采访了盖尔伯,将她形色为“关心的心境学家”,并报说念了她所作念的接洽——这接洽连她我方王人以为有些离经叛说念。

盖尔伯提到,几年前她在一种叫作草履虫( Paramecium aurelia)的原活泼物中发现了一种出东说念主意想的步履。她认为,这种单细胞生物也具有学习才气,而学习才气并不仅限于哺乳动物或鸟类这样的高等物种。她告诉记者,科学家们“一运转王人认为我疯了,但面前,他们也以为这有点真谛。”

盖尔伯的学术糊口运转得并不算早,直到她的三个孩子王人长大成东说念主,她才真是运转科学接洽。在印第安纳大学读博的时候,她对草履虫显豁复杂的步履产生了深嗜,并运转尝试教师这些带着纤毛的单细胞生物,让它们将刺激与奖励议论起来,就像巴甫洛夫教师狗将铃声与食品议论起来。

她将草履虫培养物放在显微镜载玻片的一滩液体上,插入一根涂有细菌的金属丝(细菌即是草履虫的厚味食品),天然这些草履虫刚运转会有些经管,但它们很快就向金属丝游去。

经过几次查验,盖尔伯发现,将莫得任何细菌的金属丝放入液体,也会激发相通的觅食步履。

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△ 心境学家比阿特丽斯·盖尔伯在 20 世纪五六十年代进行了一系列实验,以测试草履虫的梦想学习

在她的主要查验(第一滑)中,她发现,一运转草履虫(绿色)忽略了浸入显微镜载玻片的金属丝,但当她将金属丝涂上草履虫爱吃的细菌(红色)时,它们游了昔时。经过几次这样的教师后,她将金属丝放回液体中,发现这些原活泼物仍然会游过来,这标明它们已经学会了将金属丝与食品议论起来。

为了摒除其他解释,盖尔伯作念了一些对照实验:在一个对照组中,她在教师时期莫得提供金属丝或任何食品(底行);在另一双照组中,她教师时期放入了裸线而不是细菌覆盖的线(中间一滑)。她总结说念,两个限制组中王人莫得出现学习步履。

盖尔伯的一部分品评者认为,盖尔伯的实验未能灵验摒除其他要素,比如细菌引起的液体变化。另一些接洽东说念主员认为,盖尔伯的实验从生理学角度来说即是不确切的。在这些接洽者看来,这样一个简便的有机体根柢就不可能有学习步履。

在盖尔伯看来,她的实验标明草履虫不错通过学习将金属丝与食品议论起来,也即是所谓的伙同性学习(associative learning)。这个看法挑战了许多科学家的已有剖判,因为全球粗拙认为,唯一具有核心神经系统的、高度进化的多细胞动物才不错“学习”。

关联词,盖尔伯的接洽扫尾却意味着学习偏激他剖判历程所需的生物机制可能不单存在于动物大脑神经元的连结中,还存在于单个细胞自己。

在 1962 年的一篇论文中,盖尔伯推测说念:“可能编码新反应的生化历程和细胞生理历程在这些门中是连气儿的,因此原活泼物和哺乳动物才会这样相似。”(注:草履虫和哺乳动物分别属于动物界下的原活泼物门和脊索动物门。)

她的论断在科学界引起了争论。一些接洽者以为这种想法很挑升念念,但也有好多品评者认为她的实验在限制变量上是有问题的:她莫得摒除一些更简便的原因,比如趋向性(tropism)——这是生物体对于像金属丝或食品这类刺激的基本自愿反应。

更有品评者认为,她朦拢了咱们和原活泼物之间的原有界限。草履虫接洽者 多纳尔·詹森(Donal Jensen)于1957年在 《科学(Science)》上撰文称:“盖尔伯将高等生物才有的宗旨(强化和接近反应)和情景(食品呈现)大意地用在原活泼物上,我以为这样的用法高估了这种生命体的嗅觉才气和清楚才气。”

深度

到 1991 年盖尔伯死字时,她的责任险些已经淡出东说念主们的视线;在 1980 年至 2020 年间的学术论文中搜索她的名字,扫尾险些为零——既莫得她参与写稿的文章,也莫得东说念主援用她的论文。

可是面前,在她运转实验的 70 年后,哈佛大学的一组接洽东说念主员认为她的想法值得“文书”。哈佛剖判神经科学家山姆·格什曼(Sam Gershman)近期在 eLife 上与共事合营发表了一篇综述,回来了盖尔伯的责任。在格什曼看来,盖尔伯的责任如实触碰到了一些点——她的想法和现代接洽者对于“单个神经元信息存储”的看法有一些相似之处。

格什曼说,除了接洽单细胞生物体学习才气的实验外,接洽多细胞生物体的实验也得到了一些字据,这些字据共同标明,至少有些类型的顾忌是不错被编码存储在细胞里面的变化中的,举例,一些顾忌能影响表不雅遗传 DNA 的修饰,或在某种进度上改换基因调控蚁集。天然一些草履虫生物学家依旧不如何笃信单细胞生物不错学习,但格什曼但愿接洽者不错掀开念念路,找出一些通用端正,能解释动物界复杂步履的产生样式,最终匡助咱们更好地意会“学习”和“顾忌”。

02

单细胞学习的字据

东说念主们对单细胞学习这件事充满疑虑,亦然因为实验考据并不简便。如何盘算一个合理的实验,才气分歧不同原因对扫尾的影响,这是个永远存在的老浩劫问题。

对于盖尔伯的实验来说,错误就在于如何讲解草履虫的步履改换(游向金属丝)是因为它们将刺激与奖励议论了起来,而不是因为它们本能地反应了细菌和金属丝所开释的化学信号或其他信号。

据格什曼说,盖尔伯的反对者也作念了一些实验,以讲解盖尔伯的实验是不可重复的,但这些反对实验自己也存在着一些问题。天然盖尔伯已经很仔细地作念了一些对照实验,用以加强她的实验论断,但批判者们依旧不为所动,因为“单细胞生物不具备学习才气”已经是树大根深的不雅念了。

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喇叭纤虫的步履递进相宜模式

实践上,在盖尔伯运转接洽草履虫的几十年前,就有东说念主发现了原活泼物会“学习”。好意思国动物学家赫伯特·斯宾塞·詹宁斯(Herbert Spencer Jennings,1868-1947)曾接洽过另一种原活泼物——喇叭虫(Stentor roeseli),一种单细胞喇叭形纤毛虫。

詹宁斯使用胭脂红染料作为刺激物,发现喇叭虫在反复斗争刺激后会有不同的反应,这证据它们在某种进度上是在从昔时的训戒中学习。和盖尔伯的遇到一样,他的发现也在 20 世纪中世受到品评,并被认为是不可重复的。哈佛医学院系统生物学家杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)对此卓越难过,因为詹宁斯的品评者在重复他的责任时,致使用的王人不是解除种纤毛虫。

古纳瓦德纳恰是格什曼综述的合著者。与格什曼一样,他也对单细胞生物学习很有深嗜,因为它颠覆了科学家们对学习等复杂步履的已有剖判。为了探索这些想法,他的团队入部下手复制了詹宁斯的实验。

古纳瓦德纳组弃取使用比胭脂红染料刺激效果更好的聚苯乙烯。他们用一根针头将聚苯乙烯颗粒运输到载玻片上,随后,载玻片上千里积的喇叭虫走漏出了多样规避步履,举例弯身心事、蜷成一团或透澈游开。

接洽东说念主员发现,正如詹宁斯所形色的那样,这些细胞似乎走漏出了一种步履上的递进——领先的反应没那么剧烈,可能仅仅轻轻逶迤,但当刺激再次袭来时,它们就会径直游走或减弱。天然这种心事步履并不像巴甫洛夫在狗身上不雅察到的伙同性学习那么复杂,但接洽扫尾如实标明,喇叭虫不错根据以往的训戒迤逦自身的反应。2019 年,古纳瓦德纳将这些论断发表在 《现代生物学(Current Biology)》杂志上。

此时回头再看,詹宁斯当年的论断也许并莫得错。

继赫伯特·斯宾塞·詹宁斯在 20 世纪初进行的实验之后,哈佛医学院的接洽东说念主员最近在原活泼物喇叭虫身上不雅测到了一种可称为“步履递进”(behavioral hierarchy)的相宜模式。

他们每隔几分钟就向载玻片上千里积的喇叭虫辐射一束束聚苯乙烯颗粒,刺激载玻片上的细胞(见[1])。正如 Jennings 记载的那样,他们发现,喇叭虫的步履会根据之前发生的事情而变化。起初,它的反应是弯身远隔聚苯乙烯颗粒 (见[2])或挥动纤毛(见[3])。但过了已而,它们弃取了更夸张的作念法——减弱(见[4]),或干脆游走(见[5])。接洽东说念主员在他们的论文中称,这一系列步履天然不算是复杂的学习体式,但能标明喇叭虫在作念决定时如实会参考以前的训戒。

多头绒泡菌的民风性学习

还有一种单细胞黏菌——多头绒泡菌(Physarum polycephalum)——似乎也有简便学习的才气。

这是一种格外的单细胞生物,不错包含多个细胞核。法国生物学家奥黛丽·杜苏图尔(Audrey Dussutour)在她 2017 年的著述《黑点( Le Blob)》中,将多头绒泡菌动作意会“非神经生物”复杂步履的模子。

几年前,她的团队发现这种黏菌走漏出一种非梦想学习的才气,即“民风性学习”(habituation)——生物体民风于某种刺激后就不再对其作念出反应。拿多细胞生物的例子来解释,就像一只老鼠,一运转会被出乎意想的巨响吓到,跟着听到的次数越多,对相通声息的反应会越来越小。

杜苏图尔的接洽小组发现,若是将奎宁和咖啡因放在多头绒泡菌和食品之间的桥梁上,多头绒泡菌会徐徐民风这两种化合物——而平时它们王人是躲着这些化合物的。

杜苏图尔说,这种黏菌运转会在涂有刺激物的桥上探索很万古期,但一朝它们运转相宜,它们似乎就不再在意之前一直想躲开的那些刺激。与多细胞动物中的民风性学习步履相似,若是这些黏菌连气儿几天莫得遇到这些化合物,它们就会“规复”对这些化合物的厌恶。

对此,团队还作念了细巧的限制实验,以讲解这种民风的产生仅针对这些化合物,欧博注册网址而不是因为黏菌的嗅觉系统超负荷从而形成了疲惫反应。

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法国国度科学接洽中心的接洽东说念主员进行的实验标明,多头绒泡菌(一种不错通过隆起其躯壳边际来出动的单细胞黏菌)走漏出一种称为“民风性学习”的学习模式。

这是一种基础的非伙同性学习(non-associative learning)。将黏菌(黄色)和食品(白色)分别放在两个盘子上,然后在中间用桥连结,黏菌粗拙会往桥上滋长(见[1])。

若是将桥涂满黏菌不心爱的物资,举例奎宁(紫色),不错大大减少黏菌在桥上的出动(见[2])。关联词,在连气儿几天斗争涂有奎宁的桥梁后,黏菌就民风了,然后会像往常一样滋长,险些不受影响 (见[3])。

这种步履的改换并不是长期性的——若是黏菌再次遇到平淡的桥梁 (见[4]),它就会忘了它之前形成的民风,随后在遇到另一座奎宁覆盖的桥梁时再行走漏出厌恶步履 (见[5])。

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仍然存在的争议

从一些接洽(包括上述两个)不错看出,东说念主们对非神经的剖判行为的看法正在改换。

杜苏图尔说:“十年前,你不会在 eLife 和《现代生物学》上看到对于单细胞生物学习的论文。面前,全球徐徐运转感深嗜了。” 格什曼则但愿以后会有更多这方面的接洽,而他我方的实验室则已经将草履虫实验列上日程。

不外,并不是总共东说念主王人认为这个课题值得接洽。一些生物学家依然将原活泼物视为一种刺激反应安装——“可能看起来不错作念出复杂步履,但实践上背后仅仅简便的机械逻辑,而对这方面的接洽已经跳跃了一个世纪”。

反对的声息还不啻这些。好意思国佛蒙特大学的生物学家和草履虫群众朱迪念念·范·霍滕(Judith Van Houten)最近写信给格什曼和他的共事,说她发现 Gelber 的实验是有颓势的,而那些对于伙同性学习的论断与现存科学对这种原活泼物的意会也不符。

“对于草履虫的总共步履接洽王人必须基于对其生理学的既定了解,而面前已有的这些了解不是一朝一夕形成的,王人是基于来自寰宇各地的永远的细巧的接洽”。

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03

寻找细胞内的顾忌机制

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学习粗拙需要以某种体式来存储环境信息,因此格什曼等接洽东说念主员但愿激动的一个主张即是寻找单个细胞中可能形成顾忌的机制——包括在液体中游动的单细胞生物,也包括多细胞动物中的单个细胞。古纳瓦德纳说,将两者归为一类并不是口不择言, “好多机制王人是通用的。”

以草履虫为例,在受到特定刺激时,草履虫会产生钙基动作电位,而且它们还具有 GABA 受体。GABA 是一种多细胞动物身上被深远接洽过的神经递质,因此草履虫在科学界时常被称为“会拍浮的神经元”。

古纳瓦德纳认为,“若是咱们有幸找到了单细胞生物体中的机制,那么相通的机制可能在多细胞生物体中也会存在。” 古纳瓦德纳补充说,他的实验室也规画在分离的哺乳动物细胞上进行步履相宜和民风性学习的实验。

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硬件解释

上文提到的通用的细胞内信息存储机制,紧要候选者即是RNA。RNA 参与了生物体的整个生命周期,连气儿赓续地产生,受到多样各样的修饰。

这个想法发祥于 20 世纪 60 年代,那时的一位生物学家詹姆斯·麦康奈尔(James McConnell,1925-1990)宣称他不错从一只扁形虫身上提真金不怕火 RNA 分子并将其注入另一只扁形虫,从而在扁形虫之间滚动顾忌。

不外和之前提到的几个接洽一样,科学界的大多量东说念主王人认为这项接洽不可重复,是以很快就从主流视线中消失了。面前为止,对这一想法的探索主要鸠合在简便的多细胞生物中。

来自普林斯顿大学的科琳·墨菲(Coleen Murphy)小组也在 RNA 这个主张探索,他们弃取了好意思艳隐杆线虫(C. elegans)作为接洽对象。这种线虫在斗争过危急细菌后能学会消散环境中的相通细菌。

墨菲团队于 2020 年底在 bioRxiv 上发表了他们的预印本接洽:把斗争过特定细菌的线虫捣烂后,与莫得遇到过这些细菌的线虫放在整个,后者能学会消散这些特定的细菌。接洽东说念主员发现了对信息滚动来说至关蹙迫的轻细颗粒,其中似乎含有 RNA,不外数目太少,还不够拿来测序。

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△ 好意思艳隐杆线虫(C. elegans)

来自加州大学洛杉矶分校大卫·格兰兹曼(David Glanzman)团队 2018 的接洽扫尾标明,在加州海兔(Aplysia californica)这种海螺身上,RNA 至少佩戴了某些体式的顾忌。

他们从两组海螺的神经细胞中提真金不怕火 RNA,一组收受过电击(实验组),一组未被电击过(对照组),再分别注入未经电击的海螺体内;接受实验组 RNA 打针后的海螺,就像也被电击过一样,步履走漏更为严慎,何况在被轻敲后出现了更长的退避步履。

格兰兹曼推测,那些提真金不怕火出的 RNA可能诱导受体海螺 DNA 的表不雅遗传发生了变化,从而改换了动物的步履,达成了顾忌的滚动。他坦言,当年可能绝大多量共事王人会以为这“极不可能”。不外,面前已经有极少接洽发现脊椎动物在多样学习历程中 DNA 甲基化或组卵白修饰的模式王人发生了变化。仅仅,神经科学家粗拙认为这些表不雅遗传变化旨在援助顾忌的形成,而不是存储这些顾忌自己。

多头绒泡菌的接洽者杜苏图尔(Dussutour)但愿将这些想法运用到单细胞生物的接洽中去。他们面前正在与分子生物学家合营,望望“RNA 机制”这个说法是否不错解释多头绒泡菌民风化学习的旨趣。

其他接洽东说念主员也在探究别的假说,看从物理层面改换细胞结构是否会促进单细胞顾忌的形成。举例改换细胞骨架,改换细胞内卵白质的酶促磷酸化和去磷酸化轮回。2021 年,有德国接洽东说念主员证据称,多头绒泡菌可能会用其自身的细胞花样来存储先前食品的位置信息。

硬件解释

除了用“硬件变化”来解释单细胞的学习机制,学界也有东说念主在接洽“软件变化”。塔夫茨大学的再生和发育生物学家迈克尔·莱文(Michael Levin)一直在接洽限制单个细胞基因抒发的基因调控蚁集。

他和共事探索了这些调控蚁集如安在不依赖物理变化的情况下改换自身对某些刺激的反应——这就像计较机,在记载一段笔墨信息输入时,也不需要在物理层面改换硬件。

打个比喻,在最简便的蚁集中,假定基因的激活/失活是与其他基因的交互所导致的,或者是由外部环境刺激所导致的,那么蚁集中基因确现时景象就取决于迄今发生的总共交互和外界刺激输入,由此就产生了顾忌。这意味着此类蚁集大意通过教师来学习“什么和什么是关系联的” ,并改换将来的步履。

“不是因为咱们改换了基因 A 和 基因 B 之间的议论,而是细胞所资历的一切改换了整个系统的踏实景象,同期改换了它以后头对这些刺激的反应样式。” 莱文说。“这与东说念主们的固有剖判有些不同。”

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为什么要接洽单细胞学习?

接洽单细胞内信息存储机制的真谛不单在于其自己。

一些神经科学家致使认为,这种机制致使不错对更传统的对于东说念主类顾忌和学习的多细胞表面进行补充。格什曼说,“多年来,东说念主们一直挟恨咱们面前对大脑顾忌的意会还远远不够。”面前最主流的表面是突触可塑性表面,即认为顾忌存储在神经元之间的连结中,而学习则源自这些连结相对强度的变化。

但许多学者王人认为突触可塑性表面并不可充分解释现实数据。至于新提议的细胞内信息存储机制是不是能弥补这一不及,面前还不明晰。但它们正在促使接洽东说念主员再行念念考传统的剖判表面。

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04

界说的畛域之争

尽管科学家们认为单细胞生物接洽与多细胞生物接洽之间的类似部分很有价值,但他们同期承认,学习,作为一种剖判历程,和其他剖判历程相分歧的畛域在那处,还莫得细目的谜底。

杜苏图尔认为,若是在形色单细胞的复杂步履时,不去借用传统步履接洽中使用的术语,可能就会少好多争议。毕竟,动物的学习步履和单细胞的“学习”是否等效,还有待考据。

“当咱们将‘学习’这个词用在单细胞生物上时,有东说念主会感到不适。” 杜苏图尔还提到了另一个相似的案例:在植物领域内筹商神经科学——植物是否能走漏出类似于动物的剖判,东说念主们一直争论不竭。她本东说念主则很乐意将她在多头绒泡菌中不雅察到的景色称为“相宜”而不是“学习”,因为在她看来,重心并不是如何将这些步履归类,而是弄明晰背后的机制。

莱文和杜苏图尔的不雅点刚巧相背。他认为,使用通用的宗旨称号,能让全球更好地识别、比对不同生物的相似之处。非要让那些坚抓传统剖判畛域的接洽者陶然的话,咱们可在“学习”除外再发明一个别的词,但这样作念“就错过了使用科学中最远大器用的契机——那即是协调化”。

跟着东说念主工智能系统在活体和非活体介质中的晋升,单细胞学习也不是什么耸东说念主听闻的宗旨了。莱文说,“咱们明察了在千般系统中王人存在着解除种基本才气:那即是根据昔时的训戒改换将来步履的才气。”

若是盖尔伯这位接洽草履虫学习的前驱还健在的话,揣测也会快乐莱文的全体化不雅点。因为她曾在几篇文章中王人提到过,对草履虫学习才气的接洽,不错为总共生物的信息存储和步履提供一些通用的视力。

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格什曼提到,直到他和他的共事运转在 Twitter 上盘问、汇集盖尔伯的信息后,才有了对于盖尔伯的维基百科条款。他认为,尽管盖尔伯的接洽让东说念主们感到了不安,但就这样明珠蒙尘,如实卓越可惜。再行注释盖尔伯被渐忘的接洽,“让我历害地刚毅到科学接洽的社会属性,以及有些扫尾是如何被马虎地拒之门外的”,格什曼说,“接洽范式会兑现咱们的视线。在念念考某个景色时,咱们巧合会沿着一条窄路越走越远,最终就忽略了其他阶梯的可能性。”

计议制作:

本文为科普中国·星空规画扶抓作品,经授权编译自 The Scientist 科学杂志,标题为剪辑所拟。原文地址https://www.the-scientist.com/features/can-single-cells-learn-68694

起头丨返朴作家丨Catherine Offord

编译| 王超责编丨一诺