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有神经网络才能学习?没头脑的黏菌也可以

2018-7-12 09:57| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 19832| 评论: 0|原作者: Moskvitch |来自: 集智俱乐部

摘要: 黏菌是世界上最奇怪的微生物之一。它们长期被误认为真菌,现在被归为变形虫的一种。作为单细胞生物,它们既没有神经元也没有大脑。然而十年以来,科学家一直在争论黏菌是否有能力了解其生存环境并相应调整其行为。对 ...

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黏菌是世界上最奇怪的微生物之一。它们长期被误认为真菌,现在被归为变形虫的一种。作为单细胞生物,它们既没有神经元也没有大脑。然而十年以来,科学家一直在争论黏菌是否有能力了解其生存环境并相应调整其行为。
 
对于法国国家科学研究中心的生物学家以及图卢兹保罗萨巴蒂尔大学动物认知研究中心的团队负责人Audrey Dussutour而言,这场辩论已经结束。她的研究小组不仅教会黏菌忽略平时会避开的有害物质,还证明了这些微生物会在一年的生理破坏性沉睡后仍然记得这种行为。但是这些结果是否证明黏菌(或许还有大量其他没有大脑的微生物)能展现出一种原始的认知形式?
 
在原生动物中,黏菌相对容易研究。它们是宏观生物,易于操作和观察。黏菌有900多种; 有些黏菌大部分时间都是单细胞生物,但是当食物短缺时,它们会聚集在一起觅食并繁殖。其他的黏菌,即所谓的“原生质体黏菌”,总是像一个包含数千个细胞核的巨大细胞一样生存。最重要的是,黏菌可以被教授新的技能;根据种类不同,它们可能不喜欢咖啡因,盐或强光,但它们可以习得的内容是,标有这些物质的禁区并不像它们看起来那么糟糕,这个过程我们称为习惯化。
 
澳大利亚麦考瑞大学(Macquarie University)的行为生物学家Chris Reid表示,“通过对习惯化的经典定义,这种原始的单细胞生物的行为就是学习,就像有大脑的动物一样学习。由于黏菌没有任何神经元,学习过程的机制必然完全不同;然而,结果和功能意义上来讲是相同的。”
 
对于Dussutour来说,“这种生物有学习的能力有很大的意义,这种意义远超过识别出在非神经系统中的学习行为。”她相信黏菌可能可以帮助科学家了解在生命进化过程中何时何地表现出了学习行为。
 
更有趣而有争议的是,波斯大学的植物细胞生物学家František Baluška说,Dussutour和其他人的研究表明,黏菌可以将它们获得的记忆从一个细胞转移到一个细胞,这让我们对更大的生物(如动物,人类和植物等)的研究有着令人兴奋的全新认知。
 
1.习惯化的历史
对原始生物行为的研究可以一直追溯到19世纪晚期,当时查尔斯·达尔文和他的儿子弗朗西斯提出在植物中,它们的根部的尖端(一个叫做根尖的小区域)可以作为它们的大脑。Herbert Spencer Jennings是一位有影响力的动物学家和早期遗传学家,他在1906年的著作《低等生物的行为》一书中提出了同样的论点。
 
然而,单细胞生物可以在细胞水平上学习某些东西并保留其记忆的概念是全新的和有争议的。传统上,科学家直接将学习现象与神经系统的存在联系起来。Dussutour说,许多人认为她的研究“是浪费时间,而且会走进死胡同。”
 

Audrey Dussutour是一位法国国家科学研究中心研究动物认知和生物可塑性的生物学家,她手里拿着一盘培养的黏菌。 她认为,这些生物可能会澄清学习行为如何进化。

她通过把自己“放在黏菌的位置”开始研究这些粘糊糊的斑点(黏菌),想知道黏菌为了生存与繁衍,需要了解关于自己周围环境条件的什么信息。黏菌爬行缓慢,它们很容易发现自己卡在过于干燥,咸或酸性的环境中。Dussutour想知道黏菌是否可以适应不舒服的条件,她想出了一种方法来测试它们的习惯能力。
 
习惯化不仅仅是适应;它被认为是最简单的学习形式,它指的是当生物体反复遇到相同的条件时,它是如何响应的,以及它是否能过滤掉无关刺激。对于人类来说,习惯化的一个典型例子就是我们在穿上衣服之后不再注意到衣服与我们皮肤接触瞬间的感觉。我们同样可以停止注意许多令人不快的气味或背景声音,特别是如果它们不变,当它们对我们的生存不重要时。对于我们和其他动物来说,这种形式的学习是通过我们的神经系统中的神经元网络来实现的,通过神经系统检测和处理刺激并调节我们的反应。但是如何在没有神经元的单细胞生物体中产生习惯化?
 
从2015年开始,Dussutour和她的团队从日本函馆大学的同事那里获得了黏菌样品,并测试了它们的习惯化能力。研究人员在实验室中培养了黏菌并在旁边很近的地方放置了燕麦,燕麦是这种生物最喜欢的食物之一。为了到达燕麦片,黏菌必须在含有咖啡因或奎宁的明胶桥上生长,这些都是无害却苦涩的化学物质,而这是它们本要极力避免的生长环境。
 
“在第一次实验中,黏菌需要10个小时才能过桥,它们真的试图不碰苦味物质,”Dussutour说。两天后,黏菌开始忽略苦味物质,六天后,每组都停止对威慑物做出响应。
 
黏菌所形成的习惯化是针对特定物质的:已经习惯于咖啡因的黏菌仍然不愿意穿过含有奎宁的桥,反之亦然。这表明有机体已经学会识别特定刺激并调整对它的反应,而不是不分青红皂白地跨越桥梁。
 
在Dussutour团队进行的实验中,黄色黏菌(在底部)的圆盘可以吃燕麦片(顶部) - 但只有当它们穿过含有有害但无致命危险的化合物凝胶状桥(中心)时才可以吃到。在这里,中间黏菌样品已经学会忽视化学品,这个过程称为习惯化。

最后,科学家们让黏菌在没有奎宁或咖啡因的情况下休息两天,然后再次用有毒的桥梁进行测试。“我们看到它们恢复了,因为它们再次表现出回避。”Dussutour说。黏菌已经恢复到原来的行为。
 
当然,生物体可以以不一定意味着学习的方式去适应环境变化。但Dussutour的研究表明,黏菌有时可以通过一种沟通方式来习得这些行为,而不仅仅是通过经验。在一项后续研究中,她的团队表明,缺乏习惯化经验的未习惯化的黏菌可以通过细胞融合直接从习惯化的黏菌中习得学到的行为。
 
与复杂的多细胞生物不同,黏菌可以被切成许多块;一旦它们重新组合在一起,它们就会融合并形成一个大型黏菌,在它们融合时,黏菌块之间的静脉状管中充满了快速流动的细胞质。Dussutour将她的粘液霉菌切成4,000多块,然后用盐分训练其中的一半,盐分是另一种黏菌不喜欢的物质,尽管不喜欢的程度没有像对奎宁和咖啡因那样强烈。实验团队以各种组合方式融合了切开的碎片,将习惯于盐分的黏菌和不习惯的黏菌合在一起。然后它们测试了新的合成体。
 
“我们发现,当正在合成的实体中有一个习惯性黏菌时,该实体就显示出习惯性,”她说。“因此,一个黏菌会将这种习惯性反应传递给另一个。”研究人员随后在三小时后再次从整体上分离出不同的黏菌块,这三个小时的时间能够让黏菌块间让细胞质通过的“静脉状管”发育完好,它们发现这两个部分仍显示出习惯性。这种微生物确实进行了学习。
 
2.原始认知的线索
但Dussutour希望进一步推动,看看这种习惯性的记忆能否在长期内被提取。因此,她和她的团队通过以可控的方式将它们干燥,让它们休眠了一年。在三月,他们唤醒了这些黏菌,这些黏菌一醒来就在充满盐分的环境中。未习惯化的黏菌开始死亡,可能是因为渗透性休克,因为它们无法应对水分从细胞内流失的速度。“我们失去了很多像这样的黏菌,”Dussutour说。“但是习惯化的黏菌幸存了下来。”它们也迅速在高盐环境中向外扩展以寻找食物。
 
Dussutour在4月份在德国不来梅大学举行的一次科学会议上报告了这一未发表的研究,这就是说,黏菌可以学习——它可以在休眠期间保持这种知识,尽管在这一转变过程中有非常多的物理和生物化学变化发生在细胞中。能够记住在哪里找到食物对于黏菌来说是一项有用的技能,因为它的环境可能是危险的。“黏菌能习惯化这是很好的,不然它就会被困住。”Dussutour说。
 
她说,更重要的是,这个结果也意味着存在着“原始认知”这样的机制,这种认知不仅限于有大脑的生物。
 
科学家们不知道是这种认知背后是什么机制。Baluška认为可能涉及许多过程和分子,并且它们可能在简单生物中有所不同。在黏菌的情况里,它们的细胞骨架可以形成能够处理感觉信息的智能且复杂的网络。 “它们(细胞骨架)将这些信息提供给细胞核,”他说。
 
其实不仅仅是黏菌可以学习。研究人员正在研究其他非神经生物,如植物,以发现它们是否能够展示最基本的学习形式。例如,2014年,Monica Gagliano与她在西澳大利亚大学和意大利佛罗伦萨大学的同事发表了一篇论文,该论文引发了媒体狂热,它们对含羞草进行了实验。含羞草植物对被触摸或其他物理干扰很敏感:它们会立即卷起它们脆弱的叶子作为防御机制。Gagliano做了一种装置,这种装置可以突然将植物掉落一英尺而不会伤害它们。起初,植物在落下时会缩回并卷曲叶子。但过了一段时间,植物停止了反应——它们似乎“学会了”没有必要采取防御措施。
 

黏菌在探索环境和利用它们找到的资源方面非常有效。研究人员利用这种能力在受控条件下使其解决迷宫和其他问题。

一般来说,没有大脑或神经元的简单生物被认为最多能够具有简单的刺激—反应行为。 关于原生动物的行为的研究,例如黏菌多头绒泡菌(特别是日本北海道大学的Toshiyuki Nakagaki的工作)表明,这些看似简单的生物能够在其环境中进行复杂的决策和解决问题。例如,Nakagaki及其同事已经证明,黏菌能够解决迷宫问题,并且能够规划出能与人类设计媲美的高效率分配网络。(在一个著名的研究结果中,黏菌重建了东京铁路系统)
 
Chris Reid和他的同事Simon Garnier是新泽西理工学院Swarm实验室的负责人,他们正在研究黏菌如何在其所有部件之间传递信息的机制,这种机制可以使得各部分作为一个集体来模仿大脑神经网络。黏菌的每个微小部分在约一分钟的时间内收缩和膨胀,但收缩率与当地的环境质量有关。有吸引力的刺激会导致更快的脉冲,而负面刺激会导致脉冲减慢。每个脉冲部分也影响其邻居的脉冲频率,就像连接的神经元的激发速率彼此影响那样。研究人员利用计算机视觉技术来做实验,这些实验就好比是黏菌的MRI脑部扫描。研究人员正在研究黏菌如何利用这种机制在其巨大的单细胞体周围传递信息,并在相互冲突的刺激之间做出复杂的决定。
 
3.关于大脑特殊的争辩
但是一些主流生物学家和神经科学家对结果持批评态度。“神经科学家反对大脑特殊性的'贬值',”塔夫茨大学的生物学家 Michael Levin说。“大脑很棒,但我们必须记住它们来自哪里。神经元从非神经细胞进化而来,它们并不是变魔术般忽然出现。”
 
一些生物学家也反对“细胞可以有目标,记忆等的想法,因为它听起来像魔术,”他补充说。但它们说,我们必须记住,在过去一个世纪左右的时间里,关于控制理论,控制论,人工智能机器学习的研究表明,机械系统可以有目标并做出决策。“计算机科学早就知道信息处理与基质无关,”莱文说。“这与你是由什么构成的无关,而与你的计算方式有关。”
 
加州大学圣地亚哥分校综合神经科学实验室主任John Smythies表示,这完全取决于人们如何定义学习。他并不觉得Dussutour在长时间休眠后黏菌依然能习惯高盐环境的实验说明了很多。“‘学习’意味着行为,而死亡不在其列!”他说。
 
对于荷兰格罗宁根大学的认知科学家Fred Kaijzer来说,这些有趣的行为是否表明黏菌可以学习的问题类似于关于冥王星是否是行星的争论:答案取决于学习的概念有多少被实证研究所证明。不过,他说,“我没有看到任何明确的科学理由否认非神经生物可以实际学习”。
 
Baluška说,许多研究人员对植物是否有记忆,学习和认知也存在强烈反对意见。他说,植物仍然被认为是“僵尸般的自动机而非完整的生物体”。
 
但普遍的看法正在慢慢改变。“我们在2005年启动了植物神经生物学计划,尽管仍然没有被主流学界接受,但我们已经对它进行了如此多的改变,以至于植物信号,通信和行为等术语现在或多或少被接受。”他说。
 
这场争辩可以说不是关于科学的战争,而是关于文字的战争。 “我交流过的大多数神经科学家乐于接受黏菌智能这样实验是有效的,而且这些实验显示出与对大脑动物进行相同实验类似的结果,”Reid说。他们介意的是使用传统上用于心理学和神经科学的术语,这些属于几乎普遍与大脑有关,如学习,记忆和智力。“黏菌研究人员坚持认为,黏菌中观察到的功能上等同的行为,应使用与有脑动物相同的描述性术语,而经典神经科学家坚持认为学习和智能的定义需要基于神经元的结构。”他说。
 
Baluška指出,结果就是获得原始认知研究的资助并不容易。“最重要的问题是拨款机构和资助机构将开始支持此类项目提案。但直到现在,除了少数例外,主流科学在这方面相当不情愿,这是一个真正的遗憾。”
 
为了获得主流认可,原始认知的研究人员将必须证明对各种刺激的习惯性,并且, 最重要的是,确定习惯性的机制以及如何在单个细胞之间转移,Reid说。“这种机制必须与大脑中观察到的机制非常不同,但功能性结果的相似性使得这样的比较会非常有趣。”

翻译:Frank Xu

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