沒腦子的學(xué)習(xí)者

王妃

“學(xué)好知識(shí)需要?jiǎng)幽X子”這是大家都知道的常識(shí)，對(duì)于人類來說，學(xué)習(xí)的物質(zhì)基礎(chǔ)是大腦， 有一個(gè)健康的大腦，才能快速地掌握新知識(shí)和新技能。

不過對(duì)蝸牛、水母和海星的實(shí)驗(yàn)表明，這些沒有大腦的生物，竟然也有學(xué)習(xí)能力。然而，這也算不上什么稀奇事，因?yàn)檫@些動(dòng)物雖說沒有大腦，但體內(nèi)還是有神經(jīng)細(xì)胞的，簡(jiǎn)單的神經(jīng)元構(gòu)造同樣賦予了它們基本的學(xué)習(xí)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(xì)胞，它們竟然具備學(xué)習(xí)記憶功能！

會(huì)學(xué)習(xí)的單細(xì)胞生物

黏菌，是一種單細(xì)胞生物，它們介于動(dòng)物和真菌之間，喜愛生活在陰暗潮濕的森林地區(qū)。當(dāng)食物充足時(shí)，黏菌會(huì)以單一細(xì)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(huì)聚集在一起，形成一團(tuán)超級(jí)細(xì)胞。

這一團(tuán)超級(jí)細(xì)胞是由上千個(gè)細(xì)胞核組成，細(xì)胞核共享同一個(gè)細(xì)胞壁，其體表面積最大的能達(dá)到幾平方米。黏菌就靠著這種抱團(tuán)作戰(zhàn)形式，自由地改變形狀，以及像動(dòng)物一樣四處爬動(dòng)覓食，當(dāng)然它們的速度不會(huì)太快，一小時(shí)最快的速度是移動(dòng)了4厘米。

2016年，法國(guó)圖盧茲大學(xué)的研究者在她的實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿里培育了一些黏菌，并為它們準(zhǔn)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(diǎn)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(jìn)。就像研究者預(yù)測(cè)的，由于中途殺出了這個(gè)程咬金，黏菌在越過小橋前，停頓了數(shù)小時(shí)，隨后，在美食的誘惑下，它們還是繼續(xù)前進(jìn)了。

隨著時(shí)間的推移，在下次實(shí)驗(yàn)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(shí)間黏菌們不再接觸咖啡因，它們依舊不會(huì)再害怕這種化學(xué)物質(zhì)，這就說明黏菌知道從以往的經(jīng)驗(yàn)中汲取教訓(xùn)，調(diào)整自己的行為，它們已經(jīng)學(xué)會(huì)了忽略不相關(guān)的刺激物，專注于重要的信息。

在心理學(xué)上，這種行為是人類的一種重要的學(xué)習(xí)形式—習(xí)慣。此前，研究者們認(rèn)為只有高等動(dòng)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(cè)是記憶實(shí)際上儲(chǔ)存在基因里。

一個(gè)多世紀(jì)以來，神經(jīng)學(xué)科的主流觀點(diǎn)是神經(jīng)元相接的地方—突觸是大腦的信息交換和儲(chǔ)存的場(chǎng)所，不過，新的研究顛覆了這一結(jié)果。

美國(guó)加利福利亞大學(xué)洛杉磯分校的研究者們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們事先對(duì)海兔進(jìn)行反復(fù)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(dāng)研究者們?cè)俅斡梦⑿〉碾姌O探針觸及海兔的神經(jīng)元時(shí)（這一神經(jīng)元與之前的電擊記憶相關(guān)），突觸又長(zhǎng)出來了，海兔的記憶又恢復(fù)了。

還有一些實(shí)驗(yàn)表明，被斬首的渦蟲在長(zhǎng)出新的大腦后，記憶仍然存在。研究者據(jù)此認(rèn)為，記憶實(shí)際上是儲(chǔ)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(dá)方式而形成的。比如把一種叫做甲基團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)像帽子似地戴在我們DNA上，就會(huì)使某些基因失去活性。

再拿黏菌來說，當(dāng)黏菌在森林中爬行時(shí)，會(huì)依靠其表面的化學(xué)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(huì)迅速地蠕動(dòng)，向食物源靠近。而毒素會(huì)引起相反的反應(yīng)，導(dǎo)致黏霉減慢它的節(jié)律性的蠕動(dòng)，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(huì)改變受體的基因表達(dá)，提高受體對(duì)咖啡因的忍耐值，導(dǎo)致黏菌再次遇到這樣的刺激后不會(huì)發(fā)生行為反應(yīng)。所以黏菌并不需要一個(gè)神經(jīng)元系統(tǒng)來學(xué)習(xí)。

實(shí)際上黏菌還有一項(xiàng)非凡本領(lǐng)—“傳授經(jīng)驗(yàn)”。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究者教會(huì)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(shí)，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(yàn)組。隨后，研究者將有經(jīng)驗(yàn)組、無經(jīng)驗(yàn)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(yàn)組的移動(dòng)速度一樣快。三個(gè)小時(shí)后，當(dāng)研究者又拆開混合組，無經(jīng)驗(yàn)組的黏菌仍然不再畏懼鹽，就好像有經(jīng)驗(yàn)組掌握的鹽無害的知識(shí)已經(jīng)傳授給它們一樣。

想象一下，你可能會(huì)暫時(shí)與別人融合，獲得該人的知識(shí)，分開后再次成為獨(dú)立的個(gè)體，你已經(jīng)獲得了這一知識(shí)。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(cè)在黏菌融合期間，兩組的基因的表達(dá)方式發(fā)生了交換，導(dǎo)致無經(jīng)驗(yàn)組的黏菌有了學(xué)習(xí)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(gè)細(xì)胞的行為表現(xiàn)出一致性的呢？這一點(diǎn)研究者們目前還沒法解釋。

含羞草的啟示

實(shí)際上，不只是黏菌會(huì)學(xué)習(xí)，就連植物也會(huì)學(xué)習(xí)。幾年前，研究者做了一個(gè)跟含羞草有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。他們反復(fù)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(huì)傷害到含羞草。

剛開始當(dāng)含羞草受到干擾時(shí)，它們會(huì)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(huì)受傷，停止卷曲葉子，學(xué)會(huì)忽略這種刺激。即使實(shí)驗(yàn)停止了一個(gè)月后，類似的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)時(shí)，它們也記住了教訓(xùn)，沒有做出任何回應(yīng)。

這說明含羞草也有學(xué)習(xí)能力。

隨后，研究者想知道植物是否能夠?qū)⒋碳づc獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系在一起，就像巴甫洛夫的狗學(xué)會(huì)把食物和鈴聲聯(lián)系起來一樣。

由于植物會(huì)自發(fā)地向光生長(zhǎng)，所以為了訓(xùn)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(gè)方向照射它們，而電扇會(huì)從另外一個(gè)方向吹它們。另外一些豌豆植物幼苗則會(huì)在同一邊被光以及風(fēng)刺激。

訓(xùn)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(xí)慣了同一邊感受光線和風(fēng)的植物，生長(zhǎng)方向會(huì)朝向風(fēng)的那一邊。而那些在不同方向感受風(fēng)和光線的植物，生長(zhǎng)方向會(huì)慢慢遠(yuǎn)離風(fēng)吹的那一邊。植物們似乎學(xué)會(huì)了將風(fēng)與光亮聯(lián)系起來。

那么，植物們是如何做到的呢？

動(dòng)物之所以能夠?qū)⒉煌氖挛锫?lián)系在一起，是因?yàn)樗鼈兊纳窠?jīng)細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)叫做NMDA受體的分子，這一受體幫助被同時(shí)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(jī)制，能夠讓植物記住一些經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)人類的益處

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

比如，有許多對(duì)人類來說非常致命的單細(xì)胞生物，它們屬于和黏菌一樣的群體，很有可能也具備簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)能力，弄懂這些病原體是如何學(xué)習(xí)的，或許有利于我們找到新的策略對(duì)付它們。

另外，科學(xué)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(huì)被總結(jié)為“一起激發(fā)的神經(jīng)元連在一起”，也就是當(dāng)一些神經(jīng)元同時(shí)被激活時(shí)，突觸會(huì)變得更強(qiáng)。但黏菌的學(xué)習(xí)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(shí)，影響基因表達(dá)方式的小分子的作用也應(yīng)該考慮進(jìn)來。

另外一個(gè)更有意思的啟發(fā)是，如果黏菌們通過融合，可以互相學(xué)習(xí)，動(dòng)物們會(huì)出現(xiàn)類似的情況嗎？

早在半個(gè)多世紀(jì)前，美國(guó)密歇根大學(xué)的研究者詹姆斯·麥康諾就提出了這一猜想，他認(rèn)為會(huì)。他訓(xùn)練了一批渦蟲，通過反復(fù)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(xùn)練的渦蟲吃。隨后，研究結(jié)果表明當(dāng)燈亮的時(shí)候，這些沒有受過訓(xùn)練的渦蟲也會(huì)抽搐。

麥康諾相信這是因?yàn)楸挥?xùn)練過的渦蟲的記憶是儲(chǔ)存在小分子—核糖核酸（RNA）里，這一分子隨后進(jìn)入了未受訓(xùn)練的渦蟲體內(nèi)，使其具備記憶能力。不幸的是，現(xiàn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)無法被復(fù)制。

然而，今天的科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)可小分子RNA可以調(diào)控基因表達(dá)，調(diào)動(dòng)記憶，它們也是記憶遺傳的關(guān)鍵。美國(guó)加州大學(xué)的研究者格蘭茨曼認(rèn)為如果轉(zhuǎn)移一個(gè)動(dòng)物大腦的RNA到另外一個(gè)動(dòng)物的大腦中，原則上應(yīng)該也會(huì)轉(zhuǎn)移部分記憶。

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