編譯 凌寒

草履蟲(chóng)——一種微觀的、單細(xì)胞的、非寄生性原生動(dòng)物

就連比阿特麗斯·蓋爾伯（Beatrice Gelber）自己都覺(jué)得，她的工作十分與眾不同。那是1960年10月，蓋爾伯剛剛在亞利桑那州圖森市開(kāi)設(shè)了一家名為基礎(chǔ)健康研究所的機(jī)構(gòu)。蓋爾伯被采訪她的報(bào)紙描述為一名“狂熱的心理學(xué)家”，她解釋了幾年前她是如何在一種叫作雙核草履蟲(chóng)（Paramecium aurelia）的原生動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)了一種令人意想不到的行為。她聲稱(chēng)，這種單細(xì)胞生物已經(jīng)顯示出學(xué)習(xí)能力，而這種優(yōu)秀能力通常被認(rèn)為僅限于高等生物，如哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)。她告訴《圖森每日公民報(bào)》（Tucson Daily Citizen），科學(xué)家同行“剛開(kāi)始的時(shí)候都認(rèn)為我一定是瘋了，但現(xiàn)在他們認(rèn)為我可能確實(shí)有兩下子”。

蓋爾伯起步較晚，她是在三個(gè)孩子都長(zhǎng)大成人后才開(kāi)始投身科學(xué)研究的。當(dāng)她還是位于布盧明頓市的印第安納大學(xué)的博士生時(shí)，就對(duì)草履蟲(chóng)的復(fù)雜行為產(chǎn)生了興趣，并開(kāi)始嘗試訓(xùn)練這些長(zhǎng)著纖毛的細(xì)胞把刺激和獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系起來(lái)，就像19世紀(jì)著名的生理學(xué)家巴甫洛夫曾訓(xùn)練狗將蜂鳴器的聲音與美味的小吃聯(lián)系起來(lái)一樣。她把一滴含有草履蟲(chóng)的培養(yǎng)液滴加在顯微鏡載玻片上的一個(gè)小池子里，然后在里面插入一根涂有細(xì)菌的金屬絲——從原生動(dòng)物的角度看，細(xì)菌就是食物——并對(duì)她的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行觀察，盡管起初草履蟲(chóng)很膽怯，但它們很快就朝著食物游了過(guò)去。經(jīng)過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)，她發(fā)現(xiàn)只要把電線插入草履蟲(chóng)培養(yǎng)液中，即便電線上沒(méi)有涂細(xì)菌，也能引發(fā)同樣的覓食行為。

在蓋爾伯看來(lái)，實(shí)驗(yàn)證明草履蟲(chóng)正在學(xué)習(xí)將電線與食物聯(lián)系起來(lái)，這一結(jié)論是對(duì)科學(xué)家信念的挑戰(zhàn)，科學(xué)界一直認(rèn)為只有高度進(jìn)化的、具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多細(xì)胞動(dòng)物才能有這種行為。更重要的是，她的研究結(jié)果表明，至少有一部分學(xué)習(xí)和其他認(rèn)知過(guò)程所需的生物機(jī)制可能并不存在于動(dòng)物大腦神經(jīng)元之間的連接中，而是存在于單個(gè)細(xì)胞本身。蓋爾伯在1962年的一篇論文中推測(cè)說(shuō)：“編碼新應(yīng)答的生化和細(xì)胞生理過(guò)程可能在動(dòng)物門(mén)中是連續(xù)的，因此對(duì)于原生動(dòng)物和哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)這些過(guò)程可能非常相似?！?/p>

緊跟在赫伯特·詹寧斯于20世紀(jì)初開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)之后，哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員最近在原生動(dòng)物帶核喇叭蟲(chóng)中對(duì)一種被稱(chēng)為行為等級(jí)的行為適應(yīng)形式進(jìn)行了測(cè)試。他們每隔幾分鐘就用聚苯乙烯珠脈沖刺激放置于顯微鏡載玻片上的細(xì)胞①。他們發(fā)現(xiàn)，正如詹寧斯報(bào)告的那樣，帶核喇叭蟲(chóng)的表現(xiàn)會(huì)因先前所發(fā)生的事情而不同。一開(kāi)始，這些小動(dòng)物們的反應(yīng)是彎曲身體躲開(kāi)珠子②，或者拍打自己的纖毛③。但過(guò)了一段時(shí)間，它們就表現(xiàn)出了更劇烈的反應(yīng)——收縮④，或者干脆游開(kāi)⑤。研究人員在他們的論文中報(bào)告說(shuō)，這種行為雖然不是一種復(fù)雜的學(xué)習(xí)形式，但表明帶核喇叭蟲(chóng)正根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定要做什么

她的結(jié)論觸動(dòng)了科學(xué)界一眾領(lǐng)域的神經(jīng)。雖然部分同仁對(duì)她的想法很感興趣，但她的許多批評(píng)者認(rèn)為，她的實(shí)驗(yàn)缺失重要的對(duì)照組，而對(duì)照組可用于排除其他的對(duì)她的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)热缵呄蛐浴袡C(jī)體對(duì)于刺激（如電線或食物）產(chǎn)生的本能反應(yīng)或運(yùn)動(dòng)。更過(guò)分的是，一些人聲稱(chēng)，她似乎忽視了我們和它們之間公認(rèn)的區(qū)別?！吧w爾伯隨意地將高等后生動(dòng)物發(fā)展出來(lái)的概念（強(qiáng)化及趨向反應(yīng)）和情境（食物呈現(xiàn)）應(yīng)用到了原生動(dòng)物中，”草履蟲(chóng)研究者唐納德·詹森（Donald Jensen）在1957年時(shí)寫(xiě)道，“我覺(jué)得這一應(yīng)用高估了這種生物的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)能力。”

蓋爾伯1991年去世時(shí)，她的工作幾乎從人們的視野中消失了；在1980至2020年間的學(xué)術(shù)論文中搜索她的名字，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那段時(shí)間里幾乎沒(méi)有人提起過(guò)她。但現(xiàn)在，在她開(kāi)始實(shí)驗(yàn)的70年后，哈佛大學(xué)的一組研究人員認(rèn)為她的想法值得重新被重視?！拔艺J(rèn)為蓋爾伯確實(shí)做出了點(diǎn)東西?！惫鸫髮W(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家山姆·格什曼（Sam Gershman）說(shuō)。他最近與人合著，在eLife雜志上發(fā)表了一篇蓋爾伯工作的綜述，并指出她的觀點(diǎn)與目前一些研究人員對(duì)單個(gè)神經(jīng)元信息存儲(chǔ)的看法相似。

格什曼說(shuō)，除了最近在單細(xì)胞生物體中進(jìn)行的一些學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)之外，還有一些來(lái)自多細(xì)胞生物體的證據(jù)，表明至少有一些類(lèi)型的記憶可在細(xì)胞內(nèi)部的變化中被編碼，比如DNA的表觀遺傳修飾或基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的改變。他補(bǔ)充說(shuō)道，雖然“單細(xì)胞生物可能會(huì)進(jìn)行學(xué)習(xí)”這一觀點(diǎn)“仍然未被部分草履蟲(chóng)生物學(xué)家接受”，但他希望一種更加開(kāi)放的態(tài)度可以幫助研究人員確定動(dòng)物界中復(fù)雜行為產(chǎn)生的一般規(guī)則，并最終更好地理解學(xué)習(xí)和記憶到底是什么。

單細(xì)胞學(xué)習(xí)的證據(jù)

關(guān)于單細(xì)胞生物體學(xué)習(xí)能力測(cè)試的爭(zhēng)論是一個(gè)由來(lái)已久的難題，其難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)清晰地區(qū)分對(duì)結(jié)果的不同解釋。在蓋爾伯的案例中，這就意味著要證明她實(shí)驗(yàn)中的原生動(dòng)物是因?yàn)榘研碌拇碳ず吞囟í?jiǎng)勵(lì)聯(lián)系在了一起而做出了某些行為去適應(yīng)這些新的刺激，而不是因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)來(lái)自例如細(xì)菌或電線的化學(xué)或其他信號(hào)本能地做出反應(yīng)。格什曼說(shuō)，蓋爾伯的批評(píng)者也做了實(shí)驗(yàn)，他們得出的結(jié)論是蓋爾伯的發(fā)現(xiàn)是不可復(fù)現(xiàn)的，但這些批評(píng)者所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也存在這方面的問(wèn)題。而蓋爾伯確實(shí)進(jìn)行了幾次認(rèn)真的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，格什曼說(shuō)這加強(qiáng)了她的結(jié)論的可信度。然而“對(duì)她的批評(píng)卻如影隨形，因?yàn)檫@更符合人們的傾向”，格什曼說(shuō)道，人們認(rèn)為單細(xì)胞生物根本不具備學(xué)習(xí)能力。

對(duì)于有興趣尋找多細(xì)胞動(dòng)物以外的學(xué)習(xí)實(shí)例的研究人員來(lái)說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)層面的挑戰(zhàn)仍然存在。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)生物學(xué)家、與格什曼共同撰寫(xiě)了發(fā)表在eLife雜志上的論文的作者杰里米·古納瓦德納（Jeremy Gunawardena）對(duì)這類(lèi)研究對(duì)象十分熟悉。幾年前，他的實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始從事單細(xì)胞、喇叭狀纖毛動(dòng)物帶核喇叭蟲(chóng)的相關(guān)研究工作。

與格什曼一樣，古納瓦德納說(shuō)他對(duì)于單細(xì)胞生物是如何挑戰(zhàn)科學(xué)家對(duì)學(xué)習(xí)和其他復(fù)雜行為的必要條件的理解十分著迷。為了探索這些想法，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手重復(fù)赫伯特·詹寧斯（Herbert Spencer Jennings）的實(shí)驗(yàn)。詹寧斯是一位動(dòng)物學(xué)家，在蓋爾伯開(kāi)始草履蟲(chóng)研究之前幾十年，詹寧斯就對(duì)帶核喇叭蟲(chóng)進(jìn)行過(guò)研究。詹寧斯使用胭脂紅染料作為刺激物，發(fā)現(xiàn)帶核喇叭蟲(chóng)在反復(fù)暴露于刺激物時(shí)會(huì)做出不同的反應(yīng)，這表明它們?cè)谀撤N程度上正從過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。跟蓋爾伯一樣，他的發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)中期遭到了批評(píng)，并被認(rèn)為是不可重復(fù)的——這“真的讓我如鯁在喉”，古納瓦德納說(shuō)，尤其是因?yàn)檎矊幩沟闹饕g毀者在重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)并失敗時(shí)，甚至都未使用與詹寧斯實(shí)驗(yàn)中相同種類(lèi)的喇叭蟲(chóng)。

在他們自己的研究中，古納瓦德納和他的同事用一根針給放置在顯微鏡載玻片上的帶核喇叭蟲(chóng)細(xì)胞投遞聚苯乙烯珠，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種刺激物能夠比胭脂紅染料更有效地引起細(xì)胞的反應(yīng)。作為回應(yīng)，這種原生動(dòng)物表現(xiàn)出了各種躲避行為，例如彎曲身體避開(kāi)珠子，卷曲，或完全游開(kāi)。研究人員發(fā)現(xiàn)，正如詹寧斯之前所報(bào)道的那樣，這些細(xì)胞似乎表現(xiàn)出了一種行為等級(jí)——起初反應(yīng)不那么劇烈，比如輕微彎曲，但對(duì)隨后的刺激做出反應(yīng)變?yōu)橛伍_(kāi)或收縮。研究人員2019年發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上的一篇論文中得出結(jié)論說(shuō)，雖然這種行為不像在巴甫洛夫的狗等動(dòng)物身上觀察到的聯(lián)想學(xué)習(xí)那樣復(fù)雜，但研究結(jié)果確實(shí)表明帶核喇叭蟲(chóng)是根據(jù)自身以前的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整了其反應(yīng)。看來(lái)，詹寧斯是對(duì)的。

另一種似乎具有某種基本學(xué)習(xí)能力的單細(xì)胞生物是黏菌多頭絨泡菌。這是一種不尋常的單細(xì)胞生物，它可以包含多個(gè)核， 奧黛麗·杜蘇圖爾（Audrey Dussutour）解釋道。她是圖盧茲大學(xué)和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）的一名生物學(xué)家。她在2017年出版的著作《變形怪體》（Le Blob）中，將多頭絨泡菌定位為一種用以解釋“非神經(jīng)生物”復(fù)雜行為的模型。幾年前，她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種黏菌顯示出一種叫作習(xí)慣化的非聯(lián)想性學(xué)習(xí)類(lèi)型，在這種學(xué)習(xí)類(lèi)型中，生物體逐漸習(xí)慣于某種特定的刺激，并不再對(duì)其做出反應(yīng)。一個(gè)多細(xì)胞生物中的例子就是，當(dāng)一只老鼠在被突然的巨響驚嚇后，聽(tīng)到同樣聲音的次數(shù)越多，它對(duì)這種聲音的反應(yīng)就越少。

杜蘇圖爾的研究小組發(fā)現(xiàn)，如果把奎寧和咖啡因這兩種黏菌通常避之不及的化合物放在一個(gè)能讓黏菌獲得食物的橋上，那么多頭絨泡菌則會(huì)對(duì)這兩種化合物表現(xiàn)出習(xí)慣化。杜蘇圖爾說(shuō)，剛一開(kāi)始黏菌在涂有化合物的橋上摸索著通過(guò)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，但一旦開(kāi)始這樣做了，那么它們似乎就不再在意這些先前避之不及的刺激物。她補(bǔ)充說(shuō)道，與多細(xì)胞動(dòng)物的習(xí)慣化觀察相一致的是，如果黏菌在幾天內(nèi)沒(méi)有再接觸過(guò)這些化合物，它們就會(huì)“恢復(fù)”對(duì)這些化合物的厭惡。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了仔細(xì)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以證明這種習(xí)慣化是針對(duì)特定化合物的，而不僅僅是感官超負(fù)荷引起的疲勞反應(yīng)。

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心研究人員的實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)伸展身體的邊緣進(jìn)行移動(dòng)的單細(xì)胞黏菌多頭絨泡菌展示了一種簡(jiǎn)單的非聯(lián)想性學(xué)習(xí)形式，稱(chēng)為習(xí)慣化。將黏菌養(yǎng)在培養(yǎng)皿中，該培養(yǎng)皿由橋連接到一盤(pán)食物。通常情況下，黏菌會(huì)沿著橋生長(zhǎng)①。將普通的橋換成涂有黏菌通常會(huì)躲避開(kāi)的物質(zhì)（例如奎寧）的橋，可大大減少黏菌在橋上的移動(dòng)②。然而，黏菌經(jīng)過(guò)幾天對(duì)涂有奎寧的橋的熟悉之后，黏菌就習(xí)慣了，并會(huì)像平常一樣在橋上生長(zhǎng)③。這種行為的變化不是永久性的——如果黏菌再次遇到普通的橋④，它似乎就忘記了自己的習(xí)慣，然后在遇到另一個(gè)涂有奎寧的橋時(shí)表現(xiàn)出同樣的厭惡行為⑤

杜蘇圖爾說(shuō)，這些研究和其他一些關(guān)于這一爭(zhēng)議話題的研究證明了關(guān)于非神經(jīng)認(rèn)知方面的討論正在發(fā)生變化?！笆昵埃阍趀Life雜志和《當(dāng)代生物學(xué)》上是看不到關(guān)于單細(xì)胞生物體學(xué)習(xí)方面的論文的?！彼f(shuō)，“我真的認(rèn)為人們對(duì)此越來(lái)越感興趣了?！备袷猜硎荆Ｍ麑?lái)會(huì)有更多的相關(guān)研究，并補(bǔ)充說(shuō)他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)設(shè)計(jì)了自己的草履蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)。

纖毛蟲(chóng)和黏菌的非聯(lián)想性學(xué)習(xí)

不過(guò)，并不是所有人都相信這里有值得一觀的東西。一些生物學(xué)家繼續(xù)將原生動(dòng)物視為“刺激反應(yīng)裝置，它們似乎能夠進(jìn)行復(fù)雜的行為，但實(shí)際上這些行為存在簡(jiǎn)單的機(jī)制解釋?zhuān)备袷猜f(shuō)，“這是一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的研究項(xiàng)目?！?/p>

茱蒂絲·范霍滕（Judith Van Houten）是佛蒙特大學(xué)的生物學(xué)家兼草履蟲(chóng)研究專(zhuān)家，最近她寫(xiě)信給格什曼及其同事解釋說(shuō)，她發(fā)現(xiàn)蓋爾伯的實(shí)驗(yàn)是有缺陷的，并且關(guān)于聯(lián)想學(xué)習(xí)的說(shuō)法與科學(xué)上對(duì)于這種原生動(dòng)物的理解是矛盾的。她拒絕為本文接受采訪，但在給《科學(xué)家》（The Scientist）雜志的一封電子郵件中寫(xiě)道，“所有關(guān)于草履蟲(chóng)的行為研究都必須建立在對(duì)它們生理機(jī)能已有的理解基礎(chǔ)上，而這些理解是建立在全球范圍內(nèi)長(zhǎng)期、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯炕A(chǔ)上的”。

對(duì)細(xì)胞內(nèi)記憶機(jī)制的研究

學(xué)習(xí)通常需要某種形式的對(duì)環(huán)境信息的存儲(chǔ)，所以格什曼等研究人員希望通過(guò)對(duì)單個(gè)細(xì)胞形成記憶的可能性機(jī)制的探索來(lái)推進(jìn)對(duì)話，無(wú)論是在水坑里游弋的單細(xì)胞生物，還是多細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞。古納瓦德納說(shuō)，把這兩種研究對(duì)象歸為一類(lèi)并不像聽(tīng)起來(lái)那么奇怪?！昂芏鄼C(jī)制都是相通的”。

例如，他指出，草履蟲(chóng)對(duì)特定刺激發(fā)生應(yīng)答時(shí)會(huì)產(chǎn)生鈣基動(dòng)作電位，并展示出GABA受體——這是一種在多細(xì)胞動(dòng)物中得到了充分研究的神經(jīng)遞質(zhì)，因此在科學(xué)文獻(xiàn)中經(jīng)常被稱(chēng)為“游泳神經(jīng)元”?！拔艺J(rèn)為，如果我們能在單細(xì)胞生物中發(fā)現(xiàn)這些機(jī)制，那么這些機(jī)制可能也適用于多細(xì)胞生物。”古納瓦德納補(bǔ)充說(shuō)道。他的實(shí)驗(yàn)室也計(jì)劃在分離出的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中進(jìn)行行為適應(yīng)和習(xí)慣化的實(shí)驗(yàn)。

古納瓦德納和其他研究者所追求的通用細(xì)胞內(nèi)信息存儲(chǔ)的一種候選物是核糖核酸（RNA），RNA的產(chǎn)生和修飾貫穿于生物體的整個(gè)生命周期中。到目前為止，這個(gè)想法的探索主要是在簡(jiǎn)單的多細(xì)胞生物而不是單細(xì)胞生物中，這一想法起源于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的生物學(xué)家詹姆斯·麥康奈爾（James McConnell）聲稱(chēng)，他可以將一個(gè)個(gè)體的RNA分子注入另一個(gè)個(gè)體中，從而在扁形蟲(chóng)之間轉(zhuǎn)移記憶。這項(xiàng)研究再次被科學(xué)界中的大多數(shù)人認(rèn)為是不可重復(fù)的，它很快就從主流科學(xué)話語(yǔ)中消失了。

普林斯頓大學(xué)的科琳·墨菲（Coleen Murphy）的研究小組是目前正在重新審視這一概念的實(shí)驗(yàn)室之一。墨菲和她的同事們研究了秀麗隱桿線蟲(chóng)，這種線蟲(chóng)在接觸到危險(xiǎn)細(xì)菌后，能夠?qū)W會(huì)避開(kāi)環(huán)境中的危險(xiǎn)細(xì)菌。在2020年年底發(fā)表在bioRxiv上的一篇預(yù)印本中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，一種從未遇到某種特定細(xì)菌的蠕蟲(chóng)，在接觸到接觸過(guò)該特定細(xì)菌的蠕蟲(chóng)碎片后，仍然可以學(xué)會(huì)避開(kāi)這種細(xì)菌。研究人員發(fā)現(xiàn)這些似乎包含有RNA的微小顆?！M管沒(méi)有足夠的基因物質(zhì)來(lái)測(cè)序——對(duì)這種轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。

另一個(gè)由加州大學(xué)洛杉磯分校的大衛(wèi)·格蘭茲曼（David Glanzman）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在幾年前報(bào)告了證據(jù)，表明在加州海兔（Aplysia californica，一種海蝸牛）身上，RNA似乎至少攜帶著某些類(lèi)型的記憶。在一組實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)從經(jīng)歷過(guò)電擊的海蝸牛的神經(jīng)細(xì)胞中提取出RNA，并將該RNA注射到?jīng)]有經(jīng)歷過(guò)電擊的海蝸牛中。與注射了未經(jīng)過(guò)電擊的海蝸牛的RNA的海蝸牛相比，注射了經(jīng)歷過(guò)電擊的海蝸牛RNA的海蝸牛在接受注射后，與它們的贈(zèng)體一樣，表現(xiàn)得更謹(jǐn)慎，在被研究人員拍打后表現(xiàn)出更長(zhǎng)時(shí)間的畏縮行為。此外，用電擊過(guò)的海蝸牛的RNA處理過(guò)的培養(yǎng)的海蝸牛神經(jīng)細(xì)胞比用未電擊過(guò)的海蝸牛的RNA處理過(guò)的細(xì)胞更容易被電流刺激到。

秀麗隱桿線蟲(chóng)

格蘭茲曼和他的同事們推測(cè)，提取出的RNA可能是通過(guò)誘導(dǎo)受體海蝸牛神經(jīng)元的DNA發(fā)生表觀遺傳性變化，隨后改變了動(dòng)物的行為，從而在生物體之間轉(zhuǎn)移記憶。當(dāng)時(shí)他向《科學(xué)家》雜志承認(rèn)他這一想法“很有可能因?yàn)檫^(guò)于不可思議而震驚到絕大部分同行”。格什曼指出，目前已有少量研究表明脊椎動(dòng)物在各種學(xué)習(xí)任務(wù)中DNA甲基化或組蛋白修飾的模式會(huì)發(fā)生變化，盡管神經(jīng)科學(xué)家通常認(rèn)為這些表觀遺傳學(xué)變化在記憶的形成過(guò)程中起到的是輔助作用，而并非存儲(chǔ)了這些記憶，他補(bǔ)充說(shuō)道。

杜蘇圖爾說(shuō)，她的團(tuán)隊(duì)希望將這些想法應(yīng)用于單細(xì)胞生物的研究，目前正在與分子生物學(xué)家合作，看看基于RNA的機(jī)制是否有可能是黏菌習(xí)慣化的基礎(chǔ)。其他研究人員仍在就不同細(xì)胞機(jī)制的物理修飾如何為單細(xì)胞記憶的形成提供機(jī)會(huì)繼續(xù)提出假設(shè)。格什曼說(shuō)，可能的機(jī)制包括細(xì)胞骨架的改變和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的酶磷酸化和去磷酸化的循環(huán)。就在今年，德國(guó)的研究人員報(bào)告稱(chēng)多頭絨泡菌可能利用自身的細(xì)胞形態(tài)來(lái)存儲(chǔ)之前在哪里找到過(guò)食物的信息。

然而，已提出的另一種單細(xì)胞學(xué)習(xí)機(jī)制完全繞過(guò)了對(duì)細(xì)胞成分進(jìn)行物理修飾的需要。再生和發(fā)育生物學(xué)家邁克爾·勒文（Michael Levin）說(shuō)，雖然這些修飾就像是“硬件的改變”，但也可能存在“軟件的改變”。他在塔夫斯大學(xué)的研究小組一直在研究單個(gè)細(xì)胞中控制基因表達(dá)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。在今年早些時(shí)候發(fā)表的計(jì)算研究中，勒文和同事們探討了這些網(wǎng)絡(luò)是如何在不需要進(jìn)行基礎(chǔ)物理改變的情況下轉(zhuǎn)變其對(duì)特定刺激或輸入的應(yīng)答——就像計(jì)算機(jī)是如何在不需要從物理層面改變其硬件的情況下將一些信息鍵入其文字處理器。

尾草履蟲(chóng)

在這種網(wǎng)絡(luò)的最簡(jiǎn)單版本中，我們認(rèn)為基因是通過(guò)與其他基因的相互作用或外部環(huán)境的刺激而激活或失活的。記憶的產(chǎn)生是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中基因的當(dāng)前狀態(tài)依賴于迄今為止發(fā)生的所有交互作用和輸入。在該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究過(guò)的某些情況下，這意味著網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)訓(xùn)練來(lái)學(xué)習(xí)特定的聯(lián)想，并使其未來(lái)的行為更為適合，“并不是因?yàn)槲覀兏淖兞嘶駻和基因B之間的聯(lián)系……簡(jiǎn)單地說(shuō)，某些經(jīng)歷會(huì)通過(guò)改變系統(tǒng)對(duì)未來(lái)刺激的反應(yīng)來(lái)改變系統(tǒng)的整體穩(wěn)定狀態(tài)?！崩瘴恼f(shuō)道，“這是一件人們非常急于知道的事情?！?/p>

對(duì)于一些神經(jīng)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些或其他細(xì)胞內(nèi)信息存儲(chǔ)機(jī)制甚至可以為人類(lèi)記憶和學(xué)習(xí)的工作原理更傳統(tǒng)的多細(xì)胞理論提供替代理論或至少是一種理論上的補(bǔ)充。格什曼說(shuō)：“多年來(lái)，人們一直抱怨我們目前對(duì)大腦記憶的理解方式不夠充分?！敝鲗?dǎo)思想，即突觸可塑性理論，認(rèn)為記憶儲(chǔ)存在神經(jīng)元之間的連接中，而學(xué)習(xí)即產(chǎn)生于這些連接的相對(duì)強(qiáng)度的變化。

但它受到了許多科學(xué)家的批評(píng)，包括羅格斯大學(xué)名譽(yù)教授、eLife論文的合著者蘭迪·加利斯特爾（Randy Gallistel），以及加州大學(xué)洛杉磯分校的格蘭茲曼，因?yàn)樗茨艹浞纸忉尙F(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)。格什曼說(shuō)，雖然目前還不清楚新提出的細(xì)胞內(nèi)機(jī)制是否會(huì)填補(bǔ)這個(gè)空缺，但這些理論正在挑戰(zhàn)研究人員對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)知理論的重新思考。

超越思想體系

盡管接受《科學(xué)家》雜志采訪的研究人員表示，他們認(rèn)為對(duì)單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物的研究有重疊是有價(jià)值的，但他們承認(rèn)，關(guān)于學(xué)習(xí)和其他認(rèn)知過(guò)程的界限的爭(zhēng)議還遠(yuǎn)未解決。例如，杜蘇圖爾認(rèn)為，如果研究人員沒(méi)有借用傳統(tǒng)動(dòng)物行為研究的術(shù)語(yǔ)來(lái)表述他們?cè)趩渭?xì)胞研究中的發(fā)現(xiàn)，那么他們討論單細(xì)胞研究中的發(fā)現(xiàn)時(shí)爭(zhēng)議可能會(huì)小一些，這可能意味著兩者的等價(jià)性還有待證明?！拔蚁搿藗冎詴?huì)感到沮喪是因?yàn)槲覀儼阉凶鲗W(xué)習(xí)，”她談到自己和其他人對(duì)單細(xì)胞生物的研究時(shí)說(shuō)，“當(dāng)人們談?wù)摰接嘘P(guān)植物的神經(jīng)生物學(xué)時(shí)，也面臨同樣的情況?！彼傅氖菄@植物是否能顯示出類(lèi)似動(dòng)物的認(rèn)知能力而不時(shí)出現(xiàn)的激烈辯論。她說(shuō)，她很樂(lè)意把自己在黏菌中觀察到的東西稱(chēng)為“適應(yīng)”，而不是“學(xué)習(xí)”。她又補(bǔ)充說(shuō)道，對(duì)她來(lái)說(shuō)，與其試圖把特定的行為歸為這一類(lèi)或那一類(lèi)，“研究它們?yōu)槭裁磿?huì)那樣做才是更有趣的”。

然而，勒文則辯稱(chēng)，正是對(duì)通用概念的使用才有助于研究人員識(shí)別和討論可能會(huì)被忽略的相似之處。他提出，一個(gè)人可以說(shuō)“這叫記憶，也叫存憶”，這就滿足了那些希望獨(dú)立于傳統(tǒng)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的人。但這樣做，“你就失去了一個(gè)獲得科學(xué)上最強(qiáng)大工具的機(jī)會(huì)，那就是一致性?！彼a(bǔ)充說(shuō)，隨著研究人員現(xiàn)在正在有生命介質(zhì)和非生命介質(zhì)中構(gòu)建人工智能系統(tǒng)，單細(xì)胞已經(jīng)不再算是學(xué)習(xí)方面最奇怪的例子?！白钪匾氖?，這些都是廣泛存在于各種系統(tǒng)中的一種基本能力的實(shí)例——根據(jù)你過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)改變你未來(lái)行為的能力?！?/p>

蓋爾伯本人可能會(huì)贊同這種整體觀點(diǎn)，她在幾篇論文中都討論過(guò)草履蟲(chóng)的研究如何為生物的信息存儲(chǔ)和行為提供一般的見(jiàn)解。格什曼說(shuō)，在他和他的同事開(kāi)始在Twitter上詢問(wèn)關(guān)于蓋爾伯的事情后，維基百科上就新增了有關(guān)蓋爾伯生活和工作的內(nèi)容。他告訴《科學(xué)家》雜志，無(wú)論人們對(duì)蓋爾伯的實(shí)驗(yàn)有過(guò)什么疑慮，她的想法從未被人真正重視過(guò)，這讓他感到十分遺憾。重新審視她被遺忘了的研究，“讓我敏銳地意識(shí)到了科學(xué)中的社會(huì)學(xué)，以及事物可能被過(guò)早否決的方式，”他說(shuō)道，“研究范式可能會(huì)導(dǎo)致狹隘的視野的產(chǎn)生，我們最終會(huì)以一種思考某些現(xiàn)象的特定方式積累信息，然后最終會(huì)使所有研究替代方案的努力受到阻礙?！?/p>

資料來(lái)源 The Scientist