没脑子的学习者

“学好知识需要动脑子”这是大家都知道的常识,对于人类来说,学习的物质基础是大脑, 有一个健康的大脑,才能快速地掌握新知识和新技能。

不过对蜗牛、水母和海星的实验表明,这些没有大脑的生物,竟然也有学习能力。然而,这也算不上什么稀奇事,因为这些动物虽说没有大脑,但体内还是有神经细胞的,简单的神经元构造同样赋予了它们基本的学习能力。

真正让人称奇的是地球上大多数生命既没有大脑,也没有神经细胞,它们竟然具备学习记忆功能!

没脑子的学习者

会学习的单细胞生物

黏菌,是一种单细胞生物,它们介于动物和真菌之间,喜爱生活在阴暗潮湿的森林地区。当食物充足时,黏菌会以单一细胞的形式存在,但大多数情况下,许多原本分开生活的黏菌会聚集在一起,形成一团超级细胞。

这一团超级细胞是由上千个细胞核组成,细胞核共享同一个细胞壁,其体表面积最大的能达到几平方米。黏菌就靠着这种抱团作战形式,自由地改变形状,以及像动物一样四处爬动觅食,当然它们的速度不会太快,一小时最快的速度是移动了4厘米。

2016年,法国图卢兹大学的研究者在她的实验室的培养皿里培育了一些黏菌,并为它们准备了它们最爱的食物—燕麦片。不过,为了吃到燕麦片,黏菌需要爬过一座小桥。

随后,研究者在这座小桥上洒上了一点咖啡因,其浓度虽然没有高到能够伤害黏菌,也足以阻止它们向食物前进。就像研究者预测的,由于中途杀出了这个程咬金,黏菌在越过小桥前,停顿了数小时,随后,在美食的诱惑下,它们还是继续前进了。

没脑子的学习者

随着时长的推移,在下次实验中,黏菌开始以更快地速度跨过桥,几天后,黏菌已经完全忽视了咖啡因,在跨桥前不再犹豫。即便有一段时长黏菌们不再接触咖啡因,它们依旧不会再害怕这种化学物质,这就说明黏菌知道从以往的经验中汲取教训,调整自己的行为,它们已经学会了忽略不相关的刺激物,专注于重要的信息。

没脑子的学习者

在心理学上,这种行为是人类的一种重要的学习形式—习惯。此前,研究者们认为只有高等动物和人类才具有这一技能。没有神经元的黏菌是如何做到的呢?

记忆藏在基因中

一种猜测是记忆实际上储存在基因里。

一个多世纪以来,神经学科的主流观点是神经元相接的地方—突触是大脑的信息交换和储存的场所,不过,新的研究颠覆了这一结果。

美国加利福利亚大学洛杉矶分校的研究者们做了一个实验,他们事先对海兔进行反复电刺激,使其形成记忆,并形成新突触。随后,研究者用药物清除了这一突触,毫不奇怪,海兔的记忆消失了。但随后,当研究者们再次用微小的电极探针触及海兔的神经元时(这一神经元与之前的电击记忆相关),突触又长出来了,海兔的记忆又恢复了。

还有一些实验表明,被斩首的涡虫在长出新的大脑后,记忆仍然存在。研究者据此认为,记忆实际上是储存在基因中,而不是突触中,而且这一记忆是由黏在DNA上的分子改变了基因的表达方式而形成的。比如把一种叫做甲基团的化学物质像帽子似地戴在我们DNA上,就会使某些基因失去活性。

再拿黏菌来说,当黏菌在森林中爬行时,会依靠其表面的化学受体来感知路径上的物质。如果它闻到了一些有吸引力的东西,比如食物,它会迅速地蠕动,向食物源靠近。而毒素会引起相反的反应,导致黏霉减慢它的节律性的蠕动,以避免潜在的伤害。在多次咖啡因刺激过后,黏菌的DNA甲基化会改变受体的基因表达,提高受体对咖啡因的忍耐值,导致黏菌再次遇到这样的刺激后不会发生行为反应。所以黏菌并不需要一个神经元系统来学习。

实际上黏菌还有一项非凡本领—“传授经验”。在第二个实验中,研究者教会一组黏菌跨越撒有无害的盐的桥梁,黏菌很快就适应了有盐的桥梁。同时,让另外一组黏菌跨越没有盐的桥梁,它们被称之为无经验组。随后,研究者将有经验组、无经验组的黏菌融合在一起,让它们跨越撒了盐的桥梁。令人惊讶的是,混合组黏菌和有经验组的移动速度一样快。三个小时后,当研究者又拆开混合组,无经验组的黏菌仍然不再畏惧盐,就好像有经验组掌握的盐无害的知识已经传授给它们一样。

想象一下,你可能会暂时与别人融合,获得该人的知识,分开后再次成为独立的个体,你已经获得了这一知识。这是多么难以想象的事情,但是在黏菌那儿真的发生了!

一些人猜测在黏菌融合期间,两组的基因的表达方式发生了交换,导致无经验组的黏菌有了学习能力。但黏菌们没有像人类那样用来整合和调节身体行为的中枢神经系统,它们又是如何让各个细胞的行为表现出一致性的呢?这一点研究者们目前还没法解释。

没脑子的学习者

含羞草的启示

实际上,不只是黏菌会学习,就连植物也会学习。几年前,研究者做了一个跟含羞草有关的实验。他们反复地把一盆含羞草从15厘米高的地方,扔到软着陆垫上,这样的高度并不会伤害到含羞草。

刚开始当含羞草受到干扰时,它们会恐惧地卷曲叶子。但经历了大约五次类似的事件后,它们似乎“知道”自己不会受伤,停止卷曲叶子,学会忽略这种刺激。即使实验停止了一个月后,类似的实验出现时,它们也记住了教训,没有做出任何回应。

这说明含羞草也有学习能力。

随后,研究者想知道植物是否能够将刺激与奖励联系在一起,就像巴甫洛夫的狗学会把食物和铃声联系起来一样。

由于植物会自发地向光生长,所以为了训练豌豆植物幼苗,研究者将一些豌豆植物放在黑暗中,然后让一束光从一个方向照射它们,而电扇会从另外一个方向吹它们。另外一些豌豆植物幼苗则会在同一边被光以及风刺激。

训练结束后,研究者移走光源,只留下电扇。研究结果表明,那些习惯了同一边感受光线和风的植物,生长方向会朝向风的那一边。而那些在不同方向感受风和光线的植物,生长方向会慢慢远离风吹的那一边。植物们似乎学会了将风与光亮联系起来。

那么,植物们是如何做到的呢?

动物之所以能够将不同的事物联系在一起,是因为它们的神经细胞内有一个叫做NMDA受体的分子,这一受体帮助被同时刺激的神经元之间建立联系。所以在植物里,应该也有相似的分子机制,能够让植物记住一些经验。

对人类的益处

虽然现在科学家们还没法完全弄懂没有大脑的生物究竟是如何学习的,但也受到了不少启发。

比如,有许多对人类来说非常致命的单细胞生物,它们属于和黏菌一样的群体,很有可能也具备简单的学习能力,弄懂这些病原体是如何学习的,或许有利于我们找到新的策略对付它们。

另外,科学家们也可以改善人工智能的神经网络。现在的神经网络模型是基于赫布理论(描述突触如何可塑的基本原理)构建的,这一理论经常会被总结为“一起激发的神经元连在一起”,也就是当一些神经元同时被激活时,突触会变得更强。但黏菌的学习能力启示着我们,也许在构建人工智能神经网络时,影响基因表达方式的小分子的作用也应该考虑进来。

另外一个更有意思的启发是,如果黏菌们通过融合,可以互相学习,动物们会出现类似的情况吗?

早在半个多世纪前,美国密歇根大学的研究者詹姆斯·麦康诺就提出了这一猜想,他认为会。他训练了一批涡虫,通过反复电击它们,让它们害怕光照,一感受到光照就抽搐。然后他把它们磨碎,喂给那些没有受过训练的涡虫吃。随后,研究结果表明当灯亮的时候,这些没有受过训练的涡虫也会抽搐。

麦康诺相信这是因为被训练过的涡虫的记忆是储存在小分子—核糖核酸(RNA)里,这一分子随后进入了未受训练的涡虫体内,使其具备记忆能力。不幸的是,现在这个实验无法被复制。

然而,今天的科学家们已经认可小分子RNA可以调控基因表达,调动记忆,它们也是记忆遗传的关键。美国加州大学的研究者格兰茨曼认为如果转移一个动物大脑的RNA到另外一个动物的大脑中,原则上应该也会转移部分记忆。

如果真是这样的话,也许会大大改变我们对记忆的定义,并且终有一天,我们将有可能实现记忆移植。

小贴士

“没脑子”的生物显绝技

一些生物只有很小的脑子,或者干脆没有大脑,但依旧展示出了惊人技能。

黏菌:0神经元

研究者曾在实验桌上摆上了燕麦片,然后将黏菌放在一片中心燕麦片上,看黏菌如何觅食。黏菌以分支结构扇形展开,每经过一个地方发现食物时,它的黏液就会形成一条通道,然后继续觅食。最终,黏菌建成了一个错综复杂的连接了所有燕麦片的通道系统,通过这一通道系统,黏菌源源不断地获取燕麦片中的营养。

这一点看起来没什么了不起,但研究者不是随意摆放这些燕麦片的,中间最大的一块燕麦片实际上代表着东京,其他的燕麦片都是按照东京周围的城市摆放的。今天,东京铁路系统是世界上最高效、布局最合理的系统之一,耗费了人类工程师们上百年的精力才建造而成,但黏菌只用26个小时,就复制出了东京交通网络,而且更优化。现在研究者们正在利用黏菌,为世界各国的首都设计最优城市交通网络。

箱型水母: 约1.3万个神经元

箱型水母,是目前已知演化程度最高的水母。它们有24个眼睛,主要用其中4个眼睛导航,这些眼睛能够360度旋转,并能透过光线亮度的差异,感知水中物体的颜色和形状。

淡水蜗牛: 2万个神经元

仅仅使用两个神经元,淡水蜗牛就能决定它是否进食。第一种神经元传达相关信息,如是否发现食物,第二种神经元,让蜗牛知道自己是否饿了。只有两个神经元细胞同时反馈信息,才能使蜗牛在合适的时长内进食。

果蝇: 25万个神经元

比起不同的气味,果蝇会花更长的时长辨别非常相似的气味,研究者认为它们这是在收集信息,以做出更好的选择,是典型的 “三思而后行”。

大黄蜂: 100万个神经元

研究者曾准备了一个带有细绳的圆盘,圆盘上装有大黄蜂喜爱吸食的糖水,但圆盘被透明盖子罩住了,如果大黄蜂想吸食糖水,就必须拉动绳子,把圆盘从盖子中拉出来。研究表明,60%的大黄蜂能通过观看其他大黄蜂如何拉绳取食糖水,学会这种方法。在另一个实验中,大黄蜂还可以学会如何将一个小球移动到一个特定的位置上。

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