沒腦子的學習者

王妃

“學好知識需要動腦子”這是大家都知道的常識，對于人類來說，學習的物質(zhì)基礎(chǔ)是大腦， 有一個健康的大腦，才能快速地掌握新知識和新技能。

不過對蝸牛、水母和海星的實驗表明，這些沒有大腦的生物，竟然也有學習能力。然而，這也算不上什么稀奇事，因為這些動物雖說沒有大腦，但體內(nèi)還是有神經(jīng)細胞的，簡單的神經(jīng)元構(gòu)造同樣賦予了它們基本的學習能力。

真正讓人稱奇的是地球上大多數(shù)生命既沒有大腦，也沒有神經(jīng)細胞，它們竟然具備學習記憶功能！

會學習的單細胞生物

黏菌，是一種單細胞生物，它們介于動物和真菌之間，喜愛生活在陰暗潮濕的森林地區(qū)。當食物充足時，黏菌會以單一細胞的形式存在，但大多數(shù)情況下，許多原本分開生活的黏菌會聚集在一起，形成一團超級細胞。

這一團超級細胞是由上千個細胞核組成，細胞核共享同一個細胞壁，其體表面積最大的能達到幾平方米。黏菌就靠著這種抱團作戰(zhàn)形式，自由地改變形狀，以及像動物一樣四處爬動覓食，當然它們的速度不會太快，一小時最快的速度是移動了4厘米。

2016年，法國圖盧茲大學的研究者在她的實驗室的培養(yǎng)皿里培育了一些黏菌，并為它們準備了它們最愛的食物—燕麥片。不過，為了吃到燕麥片，黏菌需要爬過一座小橋。

隨后，研究者在這座小橋上灑上了一點咖啡因，其濃度雖然沒有高到能夠傷害黏菌，也足以阻止它們向食物前進。就像研究者預測的，由于中途殺出了這個程咬金，黏菌在越過小橋前，停頓了數(shù)小時，隨后，在美食的誘惑下，它們還是繼續(xù)前進了。

隨著時間的推移，在下次實驗中，黏菌開始以更快地速度跨過橋，幾天后，黏菌已經(jīng)完全忽視了咖啡因，在跨橋前不再猶豫。即便有一段時間黏菌們不再接觸咖啡因，它們依舊不會再害怕這種化學物質(zhì)，這就說明黏菌知道從以往的經(jīng)驗中汲取教訓，調(diào)整自己的行為，它們已經(jīng)學會了忽略不相關(guān)的刺激物，專注于重要的信息。

在心理學上，這種行為是人類的一種重要的學習形式—習慣。此前，研究者們認為只有高等動物和人類才具有這一技能。沒有神經(jīng)元的黏菌是如何做到的呢？

記憶藏在基因中

一種猜測是記憶實際上儲存在基因里。

一個多世紀以來，神經(jīng)學科的主流觀點是神經(jīng)元相接的地方—突觸是大腦的信息交換和儲存的場所，不過，新的研究顛覆了這一結(jié)果。

美國加利福利亞大學洛杉磯分校的研究者們做了一個實驗，他們事先對海兔進行反復電刺激，使其形成記憶，并形成新突觸。隨后，研究者用藥物清除了這一突觸，毫不奇怪，海兔的記憶消失了。但隨后，當研究者們再次用微小的電極探針觸及海兔的神經(jīng)元時（這一神經(jīng)元與之前的電擊記憶相關(guān)），突觸又長出來了，海兔的記憶又恢復了。

還有一些實驗表明，被斬首的渦蟲在長出新的大腦后，記憶仍然存在。研究者據(jù)此認為，記憶實際上是儲存在基因中，而不是突觸中，而且這一記憶是由黏在DNA上的分子改變了基因的表達方式而形成的。比如把一種叫做甲基團的化學物質(zhì)像帽子似地戴在我們DNA上，就會使某些基因失去活性。

再拿黏菌來說，當黏菌在森林中爬行時，會依靠其表面的化學受體來感知路徑上的物質(zhì)。如果它聞到了一些有吸引力的東西，比如食物，它會迅速地蠕動，向食物源靠近。而毒素會引起相反的反應(yīng)，導致黏霉減慢它的節(jié)律性的蠕動，以避免潛在的傷害。在多次咖啡因刺激過后，黏菌的DNA甲基化會改變受體的基因表達，提高受體對咖啡因的忍耐值，導致黏菌再次遇到這樣的刺激后不會發(fā)生行為反應(yīng)。所以黏菌并不需要一個神經(jīng)元系統(tǒng)來學習。

實際上黏菌還有一項非凡本領(lǐng)—“傳授經(jīng)驗”。在第二個實驗中，研究者教會一組黏菌跨越撒有無害的鹽的橋梁，黏菌很快就適應(yīng)了有鹽的橋梁。同時，讓另外一組黏菌跨越?jīng)]有鹽的橋梁，它們被稱之為無經(jīng)驗組。隨后，研究者將有經(jīng)驗組、無經(jīng)驗組的黏菌融合在一起，讓它們跨越撒了鹽的橋梁。令人驚訝的是，混合組黏菌和有經(jīng)驗組的移動速度一樣快。三個小時后，當研究者又拆開混合組，無經(jīng)驗組的黏菌仍然不再畏懼鹽，就好像有經(jīng)驗組掌握的鹽無害的知識已經(jīng)傳授給它們一樣。

想象一下，你可能會暫時與別人融合，獲得該人的知識，分開后再次成為獨立的個體，你已經(jīng)獲得了這一知識。這是多么難以想象的事情，但是在黏菌那兒真的發(fā)生了！

一些人猜測在黏菌融合期間，兩組的基因的表達方式發(fā)生了交換，導致無經(jīng)驗組的黏菌有了學習能力。但黏菌們沒有像人類那樣用來整合和調(diào)節(jié)身體行為的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，它們又是如何讓各個細胞的行為表現(xiàn)出一致性的呢？這一點研究者們目前還沒法解釋。

含羞草的啟示

實際上，不只是黏菌會學習，就連植物也會學習。幾年前，研究者做了一個跟含羞草有關(guān)的實驗。他們反復地把一盆含羞草從15厘米高的地方，扔到軟著陸墊上，這樣的高度并不會傷害到含羞草。

剛開始當含羞草受到干擾時，它們會恐懼地卷曲葉子。但經(jīng)歷了大約五次類似的事件后，它們似乎“知道”自己不會受傷，停止卷曲葉子，學會忽略這種刺激。即使實驗停止了一個月后，類似的實驗出現(xiàn)時，它們也記住了教訓，沒有做出任何回應(yīng)。

這說明含羞草也有學習能力。

隨后，研究者想知道植物是否能夠?qū)⒋碳づc獎勵聯(lián)系在一起，就像巴甫洛夫的狗學會把食物和鈴聲聯(lián)系起來一樣。

由于植物會自發(fā)地向光生長，所以為了訓練豌豆植物幼苗，研究者將一些豌豆植物放在黑暗中，然后讓一束光從一個方向照射它們，而電扇會從另外一個方向吹它們。另外一些豌豆植物幼苗則會在同一邊被光以及風刺激。

訓練結(jié)束后，研究者移走光源，只留下電扇。研究結(jié)果表明，那些習慣了同一邊感受光線和風的植物，生長方向會朝向風的那一邊。而那些在不同方向感受風和光線的植物，生長方向會慢慢遠離風吹的那一邊。植物們似乎學會了將風與光亮聯(lián)系起來。

那么，植物們是如何做到的呢？

動物之所以能夠?qū)⒉煌氖挛锫?lián)系在一起，是因為它們的神經(jīng)細胞內(nèi)有一個叫做NMDA受體的分子，這一受體幫助被同時刺激的神經(jīng)元之間建立聯(lián)系。所以在植物里，應(yīng)該也有相似的分子機制，能夠讓植物記住一些經(jīng)驗。

對人類的益處

雖然現(xiàn)在科學家們還沒法完全弄懂沒有大腦的生物究竟是如何學習的，但也受到了不少啟發(fā)。

比如，有許多對人類來說非常致命的單細胞生物，它們屬于和黏菌一樣的群體，很有可能也具備簡單的學習能力，弄懂這些病原體是如何學習的，或許有利于我們找到新的策略對付它們。

另外，科學家們也可以改善人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是基于赫布理論（描述突觸如何可塑的基本原理）構(gòu)建的，這一理論經(jīng)常會被總結(jié)為“一起激發(fā)的神經(jīng)元連在一起”，也就是當一些神經(jīng)元同時被激活時，突觸會變得更強。但黏菌的學習能力啟示著我們，也許在構(gòu)建人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，影響基因表達方式的小分子的作用也應(yīng)該考慮進來。

另外一個更有意思的啟發(fā)是，如果黏菌們通過融合，可以互相學習，動物們會出現(xiàn)類似的情況嗎？

早在半個多世紀前，美國密歇根大學的研究者詹姆斯·麥康諾就提出了這一猜想，他認為會。他訓練了一批渦蟲，通過反復電擊它們，讓它們害怕光照，一感受到光照就抽搐。然后他把它們磨碎，喂給那些沒有受過訓練的渦蟲吃。隨后，研究結(jié)果表明當燈亮的時候，這些沒有受過訓練的渦蟲也會抽搐。

麥康諾相信這是因為被訓練過的渦蟲的記憶是儲存在小分子—核糖核酸（RNA）里，這一分子隨后進入了未受訓練的渦蟲體內(nèi)，使其具備記憶能力。不幸的是，現(xiàn)在這個實驗無法被復制。

然而，今天的科學家們已經(jīng)認可小分子RNA可以調(diào)控基因表達，調(diào)動記憶，它們也是記憶遺傳的關(guān)鍵。美國加州大學的研究者格蘭茨曼認為如果轉(zhuǎn)移一個動物大腦的RNA到另外一個動物的大腦中，原則上應(yīng)該也會轉(zhuǎn)移部分記憶。

如果真是這樣的話，也許會大大改變我們對記憶的定義，并且終有一天，我們將有可能實現(xiàn)記憶移植。endprint