哈佛團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)無腦原生生物也具備聯(lián)想學(xué)習(xí)能力

長期以來，科學(xué)界普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)“聯(lián)想學(xué)習(xí)”——也就是理解兩個(gè)事件之間存在聯(lián)系，例如刺激與反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)——至少需要某種形式的神經(jīng)結(jié)構(gòu)或大腦。然而，一項(xiàng)最新研究顯示，生活在池塘底部的微小單細(xì)胞生物在沒有任何神經(jīng)系統(tǒng)的前提下，同樣能夠完成這類學(xué)習(xí)任務(wù)，可能顛覆人們對學(xué)習(xí)機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知。

這項(xiàng)尚未經(jīng)過同行評(píng)審、已在預(yù)印本平臺(tái) BioRxiv 發(fā)布的研究指出，即便完全沒有大腦或神經(jīng)系統(tǒng)的單細(xì)胞生物，也可以表現(xiàn)出學(xué)習(xí)行為。論文合作者之一、哈佛大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家塞繆爾·格什曼（Samuel Gershman）在給 Refractor 的郵件中表示：“這一結(jié)果讓我很意外，因?yàn)榇饲霸谶@種生物身上并沒有聯(lián)想學(xué)習(xí)的證據(jù)，而其他單細(xì)胞生物的相關(guān)證據(jù)也頗具爭議，我們原本并不知道實(shí)驗(yàn)會(huì)不會(huì)奏效。”

研究對象為一種名為藍(lán)色喇叭蟲（Stentor coeruleus）的原生生物，這是一種喇叭形的纖毛蟲，體長約 1 毫米，肉眼勉強(qiáng)可見。其一端具有名為“固著器”（holdfast）的結(jié)構(gòu)，用來附著在池底或其他表面，另一端布滿纖毛，用于濾食。當(dāng)它感知到周圍環(huán)境出現(xiàn)擾動(dòng)，例如捕食者接近時(shí)，會(huì)迅速將細(xì)長的身體收縮成接近球形，以此作為防御反應(yīng)。

為了研究這一單細(xì)胞生物的學(xué)習(xí)過程，格什曼團(tuán)隊(duì)首先從環(huán)境中收集了數(shù)十個(gè)藍(lán)色喇叭蟲細(xì)胞，將其置于培養(yǎng)皿中并靜置數(shù)小時(shí)，讓細(xì)胞穩(wěn)定附著。隨后，研究人員借助一套特制裝置，對裝有細(xì)胞的培養(yǎng)皿底部施加精準(zhǔn)控制的輕微敲擊刺激。起初，大多數(shù)藍(lán)色喇叭蟲在感受到敲擊時(shí)都會(huì)做出收縮反應(yīng)，但隨著敲擊持續(xù)進(jìn)行，響應(yīng)的細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，表明它們對這種重復(fù)刺激產(chǎn)生了“習(xí)慣化”，不再將其視為威脅。

接著，團(tuán)隊(duì)引入了所謂“配對協(xié)議”（pairing protocol）。在這一階段，細(xì)胞先接收到一次較弱的敲擊（通常只引起輕微收縮），一秒后再緊接著施加一次較強(qiáng)敲擊。這組“弱刺激+強(qiáng)刺激”的組合每隔 45 秒重復(fù)一次，這一時(shí)間間隔對應(yīng)藍(lán)色喇叭蟲在收縮后重新伸展所需的大致時(shí)間。在最初約 10 輪配對試驗(yàn)后，細(xì)胞會(huì)在弱敲擊到來時(shí)直接產(chǎn)生明顯收縮反應(yīng)，但隨著試驗(yàn)不斷重復(fù)，這種反應(yīng)又會(huì)逐漸減弱。格什曼指出，這種對弱刺激與隨后強(qiáng)刺激建立關(guān)聯(lián)并調(diào)整反應(yīng)強(qiáng)度的過程，說明“單個(gè)細(xì)胞也能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的學(xué)習(xí)算法”。

研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)可能改變?nèi)祟悓Α皩W(xué)習(xí)”在進(jìn)化史上起源時(shí)間的理解。格什曼在接受采訪時(shí)表示，那些被認(rèn)為屬于高級(jí)形式的學(xué)習(xí)能力，很可能具有遠(yuǎn)比復(fù)雜神經(jīng)系統(tǒng)更為古老的進(jìn)化淵源。他提出疑問：“聯(lián)想學(xué)習(xí)是否首先出現(xiàn)在擁有大腦的多細(xì)胞生物身上？也許并非如此。”

格什曼進(jìn)一步指出，藍(lán)色喇叭蟲細(xì)胞與人腦神經(jīng)元之間存在“許多相似之處”，這暗示我們的大腦或許仍在利用那些最早在單細(xì)胞生物中演化出來的學(xué)習(xí)機(jī)制。換句話說，人類復(fù)雜的認(rèn)知與學(xué)習(xí)能力，可能在某種程度上繼承了單細(xì)胞祖先的“原始算法”。目前，這項(xiàng)研究已作為預(yù)印本發(fā)表在 BioRxiv 上，未來經(jīng)過同行評(píng)審后，有望在更廣泛的學(xué)術(shù)與公眾討論中繼續(xù)發(fā)酵。