单细胞可以学习吗?
单细胞可以学习吗?

单细胞可以学习吗?

20世纪中期的一个有争议的观点再次吸引了研究人员的注意,他们正在研究认知是如何在有大脑或没有大脑的情况下产生的。

凯瑟琳承担
凯瑟琳承担
5月1日,2021年

以上:一个插图ParameCium.,微观,单细胞和自由生活原生动物的属
©istock.com,Wir0man.

E.比阿特丽斯·盖尔伯(Beatrice Gelber)自己也说,她的作品与众不同。那是1960年10月,盖尔伯最近在亚利桑那州图森市开设了一家名为基础健康研究所的机构。被采访她的工作的报纸描述为“热情的心理学家”,盖尔伯解释了几年前,她是如何在一种原生动物中发现一种意想不到的行为ParameCium Aurelia。她声称,这种单细胞生物声称它表明它能够学习,一般认为旨在限于被认为是被认为是哺乳动物和鸟类等更高生物的壮举。科学家们“当我开始时,所有人都认为我很疯狂,”她告诉了图森每日公民.“但现在他们认为我可能有一些东西。”

在她的三个孩子飞过巢穴的最年轻之后,林柏比较深刻地进入科学。虽然印第安纳大学的博士生在布卢明顿,但她已经感兴趣ParameCium.看起来显得复杂的行为,并开始试图培训削弱的细胞与奖励将刺激委员会联系起来,就像着名的19世纪生理学家Ivan Pavlov有条件的狗,将蜂鸣器的声音与展示着一种美味的小吃。住房的每个文化ParameCium.在显微镜幻灯片上的一点池中,她插入了一块涂有细菌食品的电线,从原生动物的角度来看 - 并作为她的主题观看,虽然最初胆小,很快就会过来。瑞士爱尔兰赔率经过几次试验后,她发现她可以将电线放入焊丝,清洁任何细菌,进入液体,并引出相同的食物行为。

对林柏,实验证明了这一点ParameCium.正在学习将电线与食物联系起来,这是一个挑战科学家认为只有高度发展,中枢神经系统的多细胞动物的结论是能够进行这种行为。更基本上,她的结果表明,至少有一些学习和其他认知过程所需的生物机制可能不存在于动物大脑中神经元的联系中,而是在单个细胞本身内。“可能是编码新反应的生物化学和细胞生理过程是连续的通过Phyla,”凝胶在一个1962年的论文,“因此对于原生动物和哺乳动物来说是相当相似的。”

七十年来,在格伯尔开始了她的实验之后,哈佛大学的一群研究人员正争辩说她的想法值得复兴。

她的结论触动了更广泛的科学界中的神经。虽然一些同事们用兴趣观察了她的想法,但她的批评人士认为,她的实验省略了对她的结果排除的重要控制,例如热心 - 一种基本上自动响应或有机体相对于刺激的运动,这样作为电线或食物。更令人震惊的是,有人声称,她似乎忽略了我们之间的一个良好的分裂:“格尔伯自由地适应原生动物概念(加固和接近响应)和与较高的美唑烷动物开发的情况(食品介绍)”写道ParameCium.研究人员唐纳德·詹森在1957年。“我觉得这种应用高估了这种生物的感觉和运动能力。”

格尔伯的工作在1991年在1991年去世时从观景中消失了所有;在1980年至2020年之间的学术论文中搜索她的名字表明她在那个时候几乎没有提到。但是现在,七十年来她开始了她的实验后,哈佛大学的一名研究人员争辩说她的想法值得复兴。“我认为格伯尔真的是某种东西,”哈佛大学认知神经科学家Sam Gershman说,近期el审查在Gelber的工作中,注意到他在她的想法之间看到了相似之处以及一些研究人员目前正在考虑单一神经元中的信息储存。

除了少数最近在单细胞生物中学习的实验外,Gershman表示,目前有几种来自多细胞生物的融合线的证据表明,表明至少一些类型的记忆可以在细胞内变化中编码,例如表观遗传对DNA的修饰或遗传监管网络的变化。他补充说,虽然单细胞生物可能学习“仍然没有很好地下降”的想法ParameCium.生物学家,他希望更为开放的态度可以帮助研究人员确定关于动物王国在动物王国中出现复杂行为的一般规则,最终更好地了解了真正的学习和记忆。

联想学习iciliates

©Ikumi Kayama,Studio Kayama

心理学家Beatrice Gelber在20世纪50年代和20世纪60年代进行了实验,以测试联想学习ParameCium Aurelia。在她的主要试验中(顶行),她报告说,虽然单细胞纤毛(绿色)忽略了浸入其显微镜幻灯片的裸线,但当她涂在细菌(红色)的电线上时,它们ParameCium.吃。经过几次这样的课程,她将裸丝放回液体中,并报告了原生动物仍然是游泳的,这向她表示他们学会了将电线与食物联系起来。GELBER RAN控制试图排除其他解释:在一个中,她在训练期间没有提供电线或任何食物(底行);在另一个中,她介绍了裸线而不是细菌覆盖的电线(中间排)。她既不是控制条件导致学习。她的批评者表示,她未能控制其他混淆因素,例如细菌诱导的液体变化。许多其他研究人员拒绝了她的发现,理由是它在生理上难以置信,这种生物学简单的有机体可以全部学习。

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单细胞学习的证据

关于单细胞生物体学习能力测试的争论的中心是一个由来已久的难题,即设计一个实验来清晰地区分对结果的不同解释。在盖尔伯的案例中,这意味着她的原生动物正在适应一些新的刺激,因为它们把它与一个特定的奖励联系在一起,而不是因为它们本能地对来自细菌或电线的化学或其他信号做出反应。格尔什曼说,她的批评者所做的实验,他们得出的结论是盖尔伯的发现是不可复制的,在这方面有他们自己的问题,盖尔伯确实进行了几次仔细的控制,他说这加强了她的结论。(见插图。所以,“批评卡住了”,Gershman说,“因为它适合人们的倾向”,以假设单细胞生物只是没有装备学习。

这些实验挑战仍然适用于有兴趣找到多细胞动物外面学习的例子的研究人员 - 哈佛医学院的系统生物学家和哈佛大学的系统生物学家el与Gershman的纸张,熟悉他的实验室开始在单细胞,小号形状的工作中Stentor Roeseli.几年前。

你不会看到论文发表在el目前的生物学十年前关于单细胞生物学习的研究。我真的认为人们越来越感兴趣了。

-Awrey Dussutour,图卢兹大学和CNRS

和Gershman一样,Gunawardena说他着迷于单细胞生物如何挑战科学家对学习和其他复杂行为的要求的理解。为了探索这些想法,他的团队开始重复赫伯特·斯宾塞·詹宁斯(Herbert Spencer Jennings)的实验S. Roeseli.在格伯伯开始她的工作之前数十年ParameCium..使用Carmine Dye作为刺激物,詹宁斯已发现S. Roeseli.在反复曝光后响应不同,向他暗示他们以某种方式学习过去的经历。他的发现,就像德尔伯一样,在20世纪中期批评并被视为IrreoRodumible - 一些“真正陷入了我的爬行者”的东西,并非最不重要的是因为詹宁斯的主要批评者甚至没有使用相同的物种一站式他们试图复制他的作品却失败了。

在自己的研究中,Gunawardena和他的同事用针来提供聚苯乙烯珠子,这是团队发现比胭脂红染料更有效的球队更有效S. Roeseli.在显微镜载玻片上沉透的细胞。作为响应,原生动物显示出各种避税行为,例如弯曲远离珠子,卷曲或完全游泳。作为詹宁斯报道的研究人员,细胞似乎展示了行为层次 - 首先以更少的戏剧性方式响应,例如轻轻弯曲,而是通过游泳或收缩来响应随后的挑衅。(见插图。)虽然行为并不像在帕夫洛夫犬等动物所观察到的联想学习一样复杂,但发现暗示了这一点S. Roeseli.研究人员在2019年的纸张中结束了基于以前的经验,正在遵循其答复目前的生物学;看来,詹宁斯是被证明是对的。

看 ”单细胞生物似乎做出决定

另一种似乎显示一些基本的学习形式的单细胞生物是粘液模具Physarum polycephalum。这是一个不寻常的单细胞生物体,因为它可以包含多种核,解释了图卢兹大学的生物学家奥黛丽杜穆尔,以及法国的中心国家De La Recherche Scientifique(CNRS),其2017本书,勒布尔布,职位P.Polyphalum.作为了解“非目的生物”中的复杂行为的模型。几年前,她的团队表明,这种模具展示了一种叫做的非分子化学习养护,其中有机体用于特定的刺激并停止响应它。多细胞示例是鼠标,在突然大声的噪音令人震惊之后,它会越来越少响应它听到的次数越多。

杜塞尔的小组表明P.Polyphalum.变得习惯于奎宁和咖啡因 - 两种化合物,粘液模具通常保持清晰 - 如果将化合物置于给予食物的模具进入的桥上。模具花了很长时间才能探索涂层桥梁以开始,但杜斯·科尔说,但一旦他们开始这样做,他们似乎阻止他们以前避免的刺激。(见插图。)与多细胞动物的习惯观察一致,她补充说,如果他们在没有遇到它们的情况下,模具就会“回收”它们对化合物的厌恶。该团队进行了谨慎的控制,表明习惯特异于这些化合物,而不仅仅是对感官过载的疲劳反应。

杜穆尔穆尔说,这些关于这种有争议的主题的这些和少数关于这种有争议的主题的其他研究是如何如何讨论讨论正在发生变化的。“你不会看到论文发表了el目前的生物学十年前关于在单细胞生物中学习,“她说。“我真的认为人们越来越感兴趣。”Gershman表示,他希望有更多信息,并补充说他的实验室有自己的实验ParameCium.计划。

在纤毛和粘液模具中的非分配学习

©Ikumi Kayama,Studio Kayama

在20世纪初的赫伯特斯宾塞詹宁斯的实验之后,哈佛医学院的研究人员最近测试过一种叫做行为等级的行为适应在原生动物中Stentor Roeseli..他们每隔几分钟就用聚苯乙烯珠脉冲刺激放置在显微镜载玻片上的细胞。正如詹宁斯报告的那样,他们发现S. Roeseli.表现得不同,具体取决于之前发生了什么。首先,这些动物通过远离珠子(2)弯曲或击打它们的纤毛(3)来应对。但过了一会儿,他们采取了更多的戏剧性地位 - 收缩(4),或者最终游泳(5)。研究人员报告了他们的论文,即行为,而不是一种复杂的学习形式,表明了这一点S. Roeseli.根据以前的经验做出决定。

©Ikumi Kayama,Studio Kayama

法国国家科学研究中心(CNRS)研究人员的实验表明,这种单细胞黏液霉菌physarum polycephalum.,通过突出其身体的边缘来动作,显示了一种称为习惯的非分配学习的简单形式。在由桥梁连接到食物板的盘子中生长的模具通常会在桥上(1)生长。用粘液模具覆盖的一个覆盖的普通桥通常避免,例如奎宁(紫色),大大降低了模具在桥上的运动。然而,经过几天遇到奎宁覆盖的桥梁,模具习惯性并几乎与它们一样大(3)。这种行为变化并不永久 - 如果模具再次遇到正常的桥梁(4),它似乎忘记了其习惯,后来在遇到另一个奎宁覆盖的桥(5)上显示了相同的厌恶行为。

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尽管如此,不是每个人都深信在这里看到有些东西。一些生物学家继续将原生动物视为“可能似乎能够复杂行为的刺激反应装置,但真的对这些行为来说真的有了简单的机制解释,”Gershman说。“这是一个多世纪的研究计划。”

Judith Van Houten是佛蒙特大学的生物学家,也是研究ParameCium.,最近写信给Gershman和他的同事解释说,她发现德尔伯的实验有缺陷,并且联想学习的索赔与科学对该原生动物的理解不相容。她拒绝接受本文的采访,但在电子邮件中写入欧洲杯微信竞猜活动“所有行为研究ParameCium.必须在既定的对其生理学的理解中,这是基于优雅和长期的研究“来自世界各地的学习。

寻找内存细胞内机制

Learning typically requires some kind of storage of information about the environment, so one way in which researchers such as Gershman hope to move the conversation forward is through exploring possible mechanisms by which memories could form in individual cells—whether that’s a unicellular organism swimming in a puddle, or an individual cell within a multicellular animal. Lumping the two into a single category isn’t as outlandish as it might sound, says Gunawardena. “A lot of the machinery is universal.”

他指出了ParameCium.例如,响应于某些刺激产生基于钙的作用电位,并且在多细胞动物中显示GABA的受体,并且在多细胞动物中熟练的神经递质,因此通常被称为科学文学中的“游泳神经元”。“我认为如果我们在单细胞生物体中发现机制,那些相同的机制可能在多细胞生物中进行。”Gunawardena补充说,他的实验室还计划计划在孤立的哺乳动物细胞中的行为适应和习惯的实验。

一种候选人的普遍细胞内信息储存的候选者是枪削的是RNA,在整个生物体的一生中产生和修饰。到目前为止已经探讨的想法主要是在20世纪60年代的简单的多细胞而不是单细胞生物中探讨,当时他可以通过将RNA分子从一个人从一个人注射RNA分子并将它们注入另一个人来转移扁虫中的存储器。这项研究再次被大多数科学界都被认为是IrreoRocub,它很快就会从主流科学话语中褪色。

C. Elegans.
©istock.com,Heitipaves.

现在重新审视这个概念的实验室有墨菲科学普林斯顿大学的一个研究小组。墨菲和她的同事研究蛔虫C. Elegans.,这可以学会在暴露于那些细菌后避免其环境中的危险细菌。在预印刷品上发表生物奇在去年年底,该团队报告说,一只没有遇到特定细菌的蠕虫,仍然可以学会在暴露于捣碎的蠕虫的蠕虫之后避免它。研究人员确定了似乎含有RNA的微小颗粒 - 尽管没有足够的遗传物质来测序 - 对该转移至关重要。

据报道,由加利福尼亚州加利福尼亚大学(UCLA)的David Glanzman领导的另一个团队证据几年前,RNA似乎至少在加州海野兔中携带某些类型的回忆(Aplysia Californica.),一种海洋蜗牛。在一组实验中,团队从经历触电的蜗牛中从神经细胞中提取RNA,并将该RNA注入没有的蜗牛。收到注射后,像捐赠者一样,接受者蜗牛表现得更谨慎,在研究人员被接受来自未驱逐的蜗牛的动物的动物进行比较后,在研究人员被击中后表现出更长的刺激行为。此外,培养aplysia.用来自震动蜗牛的RNA处理的神经细胞比电流更容易激发,而不是用未驱逐的蜗牛处理的细胞。

格兰兹曼及其同事们推测,提取的RNA可以通过诱导受体蜗牛神经元的DNA和随后改变动物的行为来转移生物体之间的内存 - 这是他承认的想法欧洲杯微信竞猜活动当时“可能会让大多数同事们非常不可能。”现在已经存在少数研究,显示出在各种学习任务期间脊椎动物中DNA甲基化或组蛋白修饰模式的变化,尽管他补充说,神经科学家通常假设这些表观遗传变化是在形成中发挥支持作用回忆,而不是将这些记忆存放自己。

很高兴的是,这些都是一种在各种系统中存在的一个基本能力的实例:基于过去的经验改变您未来行为的能力。

-Michael Levin,Tufts大学

Dussutour说,她的团队希望将这些想法适应对单细胞生物的研究,现在正在与分子生物学家合作,看看基于RNA的机制是否可能在粘液模具中提出习惯。其他研究人员继续开发关于如何对不同蜂窝机械的物理修改如何提供单细胞存储器形成的机会。Gershman说,可能的机制包括对酶促磷酸化细胞骨架和酶促磷酸化和脱磷酸化的循环,Gershman说。刚刚今年,德国的研究人员报道P. physarum.可以使用自己的细胞形态来存储有关以前发现的食物的信息。

另一个提出的单细胞学习机制绕过了完全对蜂窝部件的物理修改的需要。虽然这些修改就像“硬件变化”,但“软件变化”也可能有“软件更改”,但再生和发展生物学家Michael Levin表示。他在塔夫茨大学的小组一直在研究基因调节网络,在单个细胞中控制基因表达。在计算中学习published earlier this year, Levin and colleagues explored how these networks could shift their responses to certain stimuli or inputs without requiring underlying physical changes—much like how a computer doesn’t need to physically change its hardware when it records a piece of information typed into word processor.

在这种网络的最简单版本中,假设基因通过与其他基因的相互作用或来自外部环境的刺激来激活或灭活基因。出现内存,因为网络中的基因的当前状态取决于直到现在发生的所有相互作用和输入。在某些情况下,团队研究过,这意味着网络可以培训,以学习某些关联并适应其未来的行为“不是因为我们改变了基因A和B之间的连接。..这只是某些经验的情况改变了系统的整体稳定状态,这种方式改变了将来对这些刺激的反应。“莱文说。“这是人们被偷窥的事情。”

ParameCium Caudatum.
©istock.com,micro_photo.

对于一些神经科学家来说,这些或其他内部信息存储机制甚至可以提供更传统的多细胞理论的替代,或至少补充,以便在人类中的记忆和学习工作的更传统的多细胞理论。Gershman说,有多年来关于当前阅读内存的不足而多年来,我们已经了解了内存的不足。“被称为突触塑性理论的主导思想使存储器储存在神经元之间的连接中,并且该学习从这些连接的相对强度的变化中产生。

看 ”柔性突触强度可能是哺乳动物大脑的复杂性

但它受到各种科学家的批评,包括Randy Gallistel,Rutgers大学和讲道上的Emeritus教授el纸张,而UCLA的格兰兹曼,为未能完全解释现实生活数据.Gershman表示,虽然新提出的新提出的内部机制将获得懈怠,但他们认为,他们挑战了重新思考认知的传统理论的研究人员。

超越意识形态

虽然研究人员谈话欧洲杯微信竞猜活动说,他们请参阅在单细胞生物和多细胞生物的研究之间的重叠之间的价值,他们承认关于学习界限和其他认知过程的争论远非解决。对于其中,杜斯古尔认为,如果他们在从传统动物行为研究借用的术语中讨论单个细胞中的调查结果可能会毫无争议,如果他们没有从传统的动物行为研究借鉴,也许是暗示尚未证明的等价性。“我认为 。..人们感到沮丧,因为我们称之为学习,“她说她和其他人对单细胞生物的研究。“当人们谈论神经生物学时,它在植物中是一样的,”她补充说,参考一个加热的辩论现在泡沫起来,然后过于植物是否可以说出来像动物的认知.她说,她很乐意把自己在黏菌中观察到的东西称为“适应”,而不是“学习”。她补充说,与其试图把特定的行为归类为这样或那样,对她来说,“更有趣的是它们是如何归类的。”

然而,列文认为,正是对一般概念的使用,帮助研究人员识别和讨论可能会被忽略的相似之处。他提出,有人可以说“有记忆,也有记忆”,这就满足了那些不愿接受传统认知神经科学的人。但这样做,“你就失去了一个获得科学上最强大工具的机会,那就是统一。”他补充说,随着研究人员现在在活的和非活的媒体中构建人工智能系统,单细胞很难被视为学习的最奇怪的例子。“最重要的是,这些都是一种基本能力的实例,这种能力存在于多种系统中:即根据过去的经验改变你未来行为的能力。”

德尔伯自己可能已经批准了这个整体观点,在几篇论文中讨论了如何研究ParameCium.可能会对生物的信息存储和行为提供一般的见解。Gershman,他说一个新的补充维基百科条目在Gelber的生命和工作中,他和他的同事开始问她在推特上,告诉欧洲杯微信竞猜活动他觉得很遗憾她的想法从未被认真对待,不管人们对她的实验有什么疑虑。重新审视她被遗忘的研究,“让我敏锐地意识到科学社会学,以及事物可能被过早拒绝的方式,”他说。“研究范式可能会产生一种狭隘的视野,我们最终会以一种思考某些现象的特定方式积累信息,然后最终基本上阻碍任何研究替代方案的努力。”