沒腦子也能學習？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！06-28 09:20
撰文 | Catherine Offord
編譯 | 王超
“單細胞學習”這個概念最早出現於20世紀中葉，一經面世就飽受爭議。在沉寂了幾十年後，最近，這個問題又重新獲得了研究人員的關注。研究人員希望能弄明白，在有腦和無腦的情況下，認知都是如何形成的。
01 充滿爭議的早期研究
1960年，Beatrice Gelber在亞利桑那州的圖森市開設了一家名為基礎健康研究所（Basic Health Research Institute）的機構。當地的報紙採訪了Gelber，將她描述為“熱情的心理學家”，並報道了她所做的研究——這研究連她自己都覺得有些離經叛道。Gelber提到，幾年前她在一種叫做草履蟲（ Paramecium aurelia）的原生動物中發現了一種意想不到的行為。她認為，這種單細胞生物也具有學習能力，而學習能力不僅限於哺乳動物或鳥類這樣的高等物種。她告訴記者，科學家們“一開始都認為我瘋了， 但現在，他們也覺得這有點意思。”
Gelber的學術生涯開始得並不算早，直到她的三個孩子都長大成人，她才真正開始科學研究。在印第安納大學讀博的時候，她對草履蟲明顯複雜的行為產生了興趣，並開始嘗試訓練這些帶着纖毛的單細胞生物，讓它們將刺激與獎勵聯繫起來，就像巴甫洛夫訓練狗將鈴聲與食物聯繫起來。她將草履蟲培養物放在顯微鏡載玻片的一灘液體上，插入一根塗有細菌的金屬絲（細菌就是草履蟲的美味食物），雖然這些草履蟲剛開始會有些拘謹，但它們很快就向金屬絲游去。經過幾次試驗，Gelber發現，將沒有任何細菌的金屬絲放入液體，也會引發相同的覓食行為。
在Gelber 看來，她的實驗表明草履蟲可以通過學習將金屬絲與食物聯繫起來，也就是所謂的聯結性學習（associative learning）。這個看法挑戰了許多科學家的已有認知，因為大家通常認為，只有具有中樞神經系統的、高度進化的多細胞動物才可以“學習”。然而，Gelber的研究結果卻意味着學習及其他認知過程所需的生物機制可能不只存在於動物大腦神經元的連接中，還存在於單個細胞本身。
在 1962 年的一篇論文中，Gelber推測道：“可能編碼新反應的生化過程和細胞生理過程在這些門中是連續的，因此原生動物和哺乳動物才會這麼相似。”（注：草履蟲和哺乳動物分別屬於動物屆下的原生動物門和脊索動物門。）
她的結論在科學界引起了爭論。一些研究者覺得這種想法很有意思，但也有很多批評者認為她的實驗在控制變量上是有問題的：她沒有排除一些更簡單的原因，比如趨向性（tropism）——這是生物體對於像金屬絲或食物這類刺激的基本自發反應。更有批評者認為，她模糊了我們和原生動物之間的原有界限。草履蟲研究者Donal Jensen 於1957年在Science（《科學》）上撰文稱：“Gelber 將高等生物才有的概念（強化和接近反應）和情景（食物呈現）隨意地用在原生動物上，我覺得這樣的用法高估了這種生命體的感覺能力和運動能力。”
到 1991 年 Gelber 去世時，她的工作幾乎已經淡出人們的視野；在 1980 年至 2020 年間的學術論文中搜索她的名字，結果幾乎為零——既沒有她參與寫作的文章，也沒有人引用她的論文。但是現在，在她開始實驗的70年後，哈佛大學的一組研究人員認為她的想法值得“復興”。哈佛認知神經科學家Sam Gershman近期在eLife上與同事合作發表了一篇綜述，回顧了Gelber的工作。在Gershman看來，Gelber的工作確實觸碰到了一些點——她的想法和當代研究者對於“單個神經元信息存儲”的看法有一些相似之處。
Gershman説，除了研究單細胞生物體學習能力的實驗外，研究多細胞生物體的實驗也得到了一些證據，這些證據共同表明，至少有些類型的記憶是可以被編碼存儲在細胞內部的變化中的，例如，一些記憶能影響表觀遺傳DNA 的修飾，或在某種程度上改變基因調控網絡。雖然一些草履蟲生物學家依舊不怎麼相信單細胞生物可以學習，但Gershman希望研究者可以打開思路，找出一些通用法則，能解釋動物界複雜行為的產生方式，最終幫助我們更好地理解“學習”和“記憶”。
02 單細胞學習的證據
人們對單細胞學習這件事充滿疑慮，也是因為實驗驗證並不簡單。怎樣設計一個合理的實驗，才能區分不同原因對結果的影響，這是個長期存在的老大難問題。對於Gelber的實驗來説，關鍵就在於如何證明草履蟲的行為改變（遊向金屬絲）是因為它們將刺激與獎勵聯繫了起來，而不是因為它們本能地響應了細菌和金屬絲所釋放的化學信號或其他信號。
據Gershman説，Gelber的反對者也做了一些實驗，以證明Gelber的實驗是不可重複的，但這些反對實驗本身也存在着一些問題。雖然Gelber已經很仔細地做了一些對照實驗，用以加強她的實驗結論，但批判者們依舊不為所動，因為“單細胞生物不具備學習能力”已經是根深蒂固的觀念了。
2.1 喇叭纖蟲的行為遞進適應模式
實際上，在Gelber 開始研究草履蟲的幾十年前，就有人發現了原生動物會“學習”。美國動物學家Herbert Spencer Jennings（1868-1947）曾研究過另一種原生動物—— 喇叭蟲 (Stentor roeseli)，一種單細胞喇叭形纖毛蟲。Jennings使用胭脂紅染料作為刺激物，發現喇叭蟲在反覆接觸刺激後會有不同的反應，這説明它們在某種程度上是在從過去的經驗中學習。和 Gelber 的遭遇一樣，他的發現也在 20 世紀中葉受到批評，並被認為是不可重複的。哈佛醫學院系統生物學家Jeremy Gunawardena 對此非常無語，因為Jennings的批評者在重複他的工作時，甚至用的都不是同一種纖毛蟲。
Gunawardena正是 Gershman綜述的合著者。與Gershman一樣，他也對單細胞生物學習很有興趣，因為它顛覆了科學家們對學習等複雜行為的已有認知。為了探索這些想法，他的團隊着手複製了Jennings 的實驗。
Gunawardena組選擇使用比胭脂紅染料刺激效果更好的聚苯乙烯。他們用一根針頭將聚苯乙烯顆粒輸送到載玻片上，隨後，載玻片上沉積的喇叭蟲表現出了各種迴避行為，例如彎身躲避、縮成一團或完全遊開。研究人員發現，正如Jennings所描述的那樣，這些細胞似乎表現出了一種行為上的遞進——最初的反應沒那麼劇烈，可能只是輕輕彎曲，但當刺激再次襲來時，它們就會直接遊走或收縮。雖然這種躲避行為並不像巴甫洛夫在狗身上觀察到的聯結性學習那麼複雜，但研究結果確實表明，喇叭蟲可以根據以往的經驗調整自身的反應。2019年，Gunawardena將這些結論發表在Current Biology（《當代生物學》）雜誌上。此時回頭再看，Jennings當年的結論也許並沒有錯。
2.2 多頭絨泡菌的習慣性學習
還有一種單細胞黏菌——多頭絨泡菌（Physarum polycephalum）——似乎也有簡單學習的能力。這是一種特殊的單細胞生物，可以包含多個細胞核。法國生物學家 Audrey Dussutour 在她2017年的著作Le Blob（《斑點》）中，將多頭絨泡菌當做理解“非神經生物”複雜行為的模型。幾年前，她的團隊發現這種黏菌表現出一種非聯想學習的能力，即“習慣性學習”（habituation）——生物體習慣於某種刺激後就不再對其做出反應。拿多細胞生物的例子來解釋，就像一隻老鼠，一開始會被突如其來的巨響嚇到，隨着聽到的次數越多，對同樣聲音的反應會越來越小。
Dussutour 的研究小組發現，如果將奎寧和咖啡因放在多頭絨泡菌和食物之間的橋樑上，多頭絨泡菌會漸漸習慣這兩種化合物——而平時它們都是躲着這些化合物的。Dussutour 説，這種黏菌開始會在塗有刺激物的橋上探索很長時間，但一旦它們開始適應，它們似乎就不再介意之前一直想躲開的那些刺激。與多細胞動物中的習慣性學習行為相似，如果這些黏菌連續幾天沒有遇到這些化合物，它們就會“恢復”對這些化合物的厭惡。對此，團隊還做了細緻的控制實驗，以證明這種習慣的產生僅針對這些化合物，而不是因為黏菌的感覺系統超負荷從而造成了疲勞反應。
2.3 仍然存在的爭議
從一些研究（包括上述兩個）可以看出，人們對非神經的認知活動的看法正在改變。Dussutour 説：“十年前，你不會在 eLife 和 Current Biology上看到關於單細胞生物學習的論文。現在，大家漸漸開始感興趣了。” Gershman 則希望以後會有更多這方面的研究，而他自己的實驗室則已經將草履蟲實驗列上日程。
不過，並不是所有人都認為這個課題值得研究。一些生物學家依然將原生動物視為一種刺激反應裝置——“可能看起來可以做出複雜行為，但實際上背後只是簡單的機械邏輯，而對這方面的研究已經超過了一個世紀”。
反對的聲音還不止這些。美國佛蒙特大學的生物學家和草履蟲專家 Judith Van Houten 最近寫信給 Gershman 和他的同事，説她發現 Gelber 的實驗是有缺陷的，而那些關於聯結性學習的結論與現有科學對這種原生動物的理解也不符。“關於草履蟲的所有行為研究都必須基於對其生理學的既定了解，而現在已有的這些瞭解不是一朝一夕形成的，都是基於來自世界各地的長期的細緻的研究”。
03 尋找細胞內的記憶機制
學習通常需要以某種形式來存儲環境信息，因此 Gershman 等研究人員希望推進的一個方向就是尋找單個細胞中可能形成記憶的機制——包括在液體中游動的單細胞生物，也包括多細胞動物中的單個細胞。Gunawardena 説，將兩者歸為一類並不是天方夜譚， “很多機制都是通用的。”
以草履蟲為例，在受到特定刺激時，草履蟲會產生鈣基動作電位，而且它們還具有GABA 受體。GABA 是一種多細胞動物身上被深入研究過的神經遞質，因此草履蟲在科學界經常被稱為“會游泳的神經元”。Gunawardena 認為，“如果我們有幸找到了單細胞生物體中的機制，那麼同樣的機制可能在多細胞生物體中也會存在。” Gunawardena 補充説，他的實驗室也計劃在分離的哺乳動物細胞上進行行為適應和習慣性學習的實驗。
3.1 硬件解釋
上文提到的通用的細胞內信息存儲機制，首要候選者就是RNA。RNA參與了生物體的整個生命週期，源源不斷地產生，受到各種各樣的修飾。這個想法起源於 20世紀60年代，當時的一位生物學家James McConnell（1925-1990）聲稱他可以從一隻扁形蟲身上提取 RNA 分子並將其注入另一隻扁形蟲，從而在扁形蟲之間轉移記憶。不過和之前提到的幾個研究一樣，科學界的大多數人都認為這項研究不可重複，所以很快就從主流視野中消失了。目前為止，對這一想法的探索主要集中在簡單的多細胞生物中。
來自普林斯頓大學的 Coleen Murphy 小組也在RNA這個方向探索，他們選擇了秀麗隱杆線蟲（C. elegans）作為研究對象。這種線蟲在接觸過危險細菌後能學會避開環境中的相同細菌。Murphy團隊於2020年底在 bioRxiv上發表了他們的預印本研究：把接觸過特定細菌的線蟲搗爛後，與沒有遇到過這些細菌的線蟲放在一起，後者能學會避開這些特定的細菌。研究人員發現了對信息轉移來説至關重要的微小顆粒，其中似乎含有RNA，不過數量太少，還不夠拿來測序。
來自加州大學洛杉磯分校David Glanzman團隊2018的研究結果表明，在加州海兔 (Aplysia californica) 這種海蝸牛身上，RNA至少攜帶了某些形式的記憶。他們從兩組海蝸牛的神經細胞中提取 RNA，一組經受過電擊（實驗組），一組未被電擊過（對照組），再分別注入未經電擊的海蝸牛體內；接受實驗組RNA注射後的海蝸牛，就像也被電擊過一樣，行為表現更為謹慎，並且在被輕敲後出現了更長的退縮行為。
Glanzman推測，那些提取出的 RNA可能誘導受體海蝸牛DNA的表觀遺傳發生了變化，從而改變了動物的行為，達成了記憶的轉移。他坦言，當年可能絕大多數同事都會覺得這“極不可能”。不過，現在已經有少量研究發現脊椎動物在各種學習過程中DNA 甲基化或組蛋白修飾的模式都發生了變化。只是，神經科學家通常認為這些表觀遺傳變化旨在輔助記憶的形成，而不是存儲這些記憶本身。
多頭絨泡菌的研究者Dussutour 希望將這些想法應用到單細胞生物的研究中去。他們目前正在與分子生物學家合作，看看“RNA 機制”這個説法是否可以解釋多頭絨泡菌習慣化學習的原理。其他研究人員也在探究別的假説，看從物理層面改變細胞結構是否會促進單細胞記憶的形成。例如改變細胞骨架，改變細胞內蛋白質的酶促磷酸化和去磷酸化循環。2021年，有德國研究人員報告稱，多頭絨泡菌可能會用其自身的細胞形態來存儲先前食物的位置信息。
3.2 軟件解釋
除了用“硬件變化”來解釋單細胞的學習機制，學界也有人在研究“軟件變化”。塔夫茨大學的再生和發育生物學家Michael Levin一直在研究控制單個細胞基因表達的基因調控網絡。他和同事探索了這些調控網絡如何在不依賴物理變化的情況下改變自身對某些刺激的反應——這就像計算機，在記錄一段文字信息輸入時，也不需要在物理層面改變硬件。
打個比方，在最簡單的網絡中，假設基因的激活/失活是與其他基因的交互所導致的，或者是由外部環境刺激所導致的，那麼網絡中基因的當前狀態就取決於迄今發生的所有交互和外界刺激輸入，由此就產生了記憶。這意味着此類網絡能夠通過訓練來學習“什麼和什麼是有關聯的” ，並改變未來的行為。“不是因為我們改變了基因 A 和 基因B 之間的聯繫”，而是細胞所經歷的一切改變了整個系統的穩定狀態，同時改變了它以後面對這些刺激的反應方式。” Levin説。“這與人們的固有認知有些不同。”
3.3 為什麼要研究單細胞學習？
研究單細胞內信息存儲機制的意義不止在於其本身。一些神經科學家甚至認為，這種機制甚至可以對更傳統的關於人類記憶和學習的多細胞理論進行補充。Gershman説，“多年來，人們一直抱怨我們現在對大腦記憶的理解還遠遠不夠。”現在最主流的理論是突觸可塑性理論，即認為記憶存儲在神經元之間的連接中，而學習則源自於這些連接的相對強度的變化。
但許多學者都認為突觸可塑性理論並不能充分解釋現實數據。至於新提出的細胞內信息存儲機制是不是能彌補這一不足，現在還不清楚。但它們正在促使研究人員重新思考傳統的認知理論。
04 定義的邊界之爭
儘管科學家們認為單細胞生物研究與多細胞生物研究之間的重疊部分很有價值，但他們同時承認，學習，作為一種認知過程，和其他認知過程相區分的邊界在哪裏，還沒有確定的答案。
Dussutour 認為，如果在描述單細胞的複雜行為時，不去借用傳統行為研究中使用的術語，可能就會少很多爭議。畢竟，動物的學習行為和單細胞的“學習”是否等效，還有待驗證。“當我們將‘學習’這個詞用在單細胞生物上時，有人會感到不適。” Dussutour還提到了另一個相似的案例：在植物範圍內討論神經科學——植物是否能表現出類似於動物的認知，人們一直爭論不休（比如返樸曾經刊文討論“植物也有視覺嗎”）。她本人則很樂意將她在多頭絨泡菌中觀察到的現象稱為“適應”而不是“學習”，因為在她看來，重點並不是如何將這些行為歸類，而是弄清楚背後的機制。
Levin和Dussutour的觀點恰恰相反。他認為，使用通用的概念名稱，能讓大家更好地識別、比對不同生物的相似之處。非要讓那些堅持傳統認知邊界的研究者滿意的話，我們可在“學習”之外再發明一個別的詞，但這麼做“就錯過了使用科學中最強大工具的機會——那就是統一化”。隨着人工智能系統在活體和非活體介質中的普及，單細胞學習也不是什麼駭人聽聞的概念了。Levin説，“我們洞悉了在各類系統中都存在着同一種基本能力：那就是根據過去的經驗改變未來行為的能力。”
如果Gelber這位研究草履蟲學習的先驅還健在的話，估計也會同意Levin的整體化觀點。因為她曾在幾篇文章中都提到過，對草履蟲學習能力的研究，可以為所有生物的信息存儲和行為提供一些通用的見解。Gershman 提到，直到他和他的同事開始在 Twitter 上詢問、收集 Gelber 的信息後，才有了關於Gelber的維基百科條目。他認為，儘管Gelber的研究讓人們感到了不安，但就這樣明珠蒙塵，確實非常可惜。重新審視Gelber被遺忘的研究，“讓我強烈地意識到科學研究的社會屬性，以及有些成果是如何被草率地拒之門外的”，Gershman 説，“研究範式會限制我們的視野。在思考某個現象時，我們有時會沿着一條窄路越走越遠，最終就忽略了其他路途的可能性。”
本文經授權編譯自TheScientist科學雜誌，標題為編輯所擬。原文地址https://www.the-scientist.com/features/can-single-cells-learn-68694
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