单细胞会学习吗？

编译 凌寒

草履虫——一种微观的、单细胞的、非寄生性原生动物

就连比阿特丽斯·盖尔伯（Beatrice Gelber）自己都觉得，她的工作十分与众不同。那是1960年10月，盖尔伯刚刚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。盖尔伯被采访她的报纸描述为一名“狂热的心理学家”，她解释了几年前她是如何在一种叫作双核草履虫（Paramecium aurelia）的原生动物身上发现了一种令人意想不到的行为。她声称，这种单细胞生物已经显示出学习能力，而这种优秀能力通常被认为仅限于高等生物，如哺乳动物和鸟类。她告诉《图森每日公民报》（Tucson Daily Citizen），科学家同行“刚开始的时候都认为我一定是疯了，但现在他们认为我可能确实有两下子”。

盖尔伯起步较晚，她是在三个孩子都长大成人后才开始投身科学研究的。当她还是位于布卢明顿市的印第安纳大学的博士生时，就对草履虫的复杂行为产生了兴趣，并开始尝试训练这些长着纤毛的细胞把刺激和奖励联系起来，就像19世纪著名的生理学家巴甫洛夫曾训练狗将蜂鸣器的声音与美味的小吃联系起来一样。她把一滴含有草履虫的培养液滴加在显微镜载玻片上的一个小池子里，然后在里面插入一根涂有细菌的金属丝——从原生动物的角度看，细菌就是食物——并对她的实验对象进行观察，尽管起初草履虫很胆怯，但它们很快就朝着食物游了过去。经过几次实验，她发现只要把电线插入草履虫培养液中，即便电线上没有涂细菌，也能引发同样的觅食行为。

在盖尔伯看来，实验证明草履虫正在学习将电线与食物联系起来，这一结论是对科学家信念的挑战，科学界一直认为只有高度进化的、具有中枢神经系统的多细胞动物才能有这种行为。更重要的是，她的研究结果表明，至少有一部分学习和其他认知过程所需的生物机制可能并不存在于动物大脑神经元之间的连接中，而是存在于单个细胞本身。盖尔伯在1962年的一篇论文中推测说：“编码新应答的生化和细胞生理过程可能在动物门中是连续的，因此对于原生动物和哺乳动物来说这些过程可能非常相似。”

紧跟在赫伯特·詹宁斯于20世纪初开展的实验之后，哈佛医学院的研究人员最近在原生动物带核喇叭虫中对一种被称为行为等级的行为适应形式进行了测试。他们每隔几分钟就用聚苯乙烯珠脉冲刺激放置于显微镜载玻片上的细胞①。他们发现，正如詹宁斯报告的那样，带核喇叭虫的表现会因先前所发生的事情而不同。一开始，这些小动物们的反应是弯曲身体躲开珠子②，或者拍打自己的纤毛③。但过了一段时间，它们就表现出了更剧烈的反应——收缩④，或者干脆游开⑤。研究人员在他们的论文中报告说，这种行为虽然不是一种复杂的学习形式，但表明带核喇叭虫正根据先前的经验来决定要做什么

她的结论触动了科学界一众领域的神经。虽然部分同仁对她的想法很感兴趣，但她的许多批评者认为，她的实验缺失重要的对照组，而对照组可用于排除其他的对她的实验结果更简单的解释，比如趋向性——有机体对于刺激（如电线或食物）产生的本能反应或运动。更过分的是，一些人声称，她似乎忽视了我们和它们之间公认的区别。“盖尔伯随意地将高等后生动物发展出来的概念（强化及趋向反应）和情境（食物呈现）应用到了原生动物中，”草履虫研究者唐纳德·詹森（Donald Jensen）在1957年时写道，“我觉得这一应用高估了这种生物的感觉和运动能力。”

盖尔伯1991年去世时，她的工作几乎从人们的视野中消失了；在1980至2020年间的学术论文中搜索她的名字，你会发现那段时间里几乎没有人提起过她。但现在，在她开始实验的70年后，哈佛大学的一组研究人员认为她的想法值得重新被重视。“我认为盖尔伯确实做出了点东西。”哈佛大学认知神经科学家山姆·格什曼（Sam Gershman）说。他最近与人合著，在eLife杂志上发表了一篇盖尔伯工作的综述，并指出她的观点与目前一些研究人员对单个神经元信息存储的看法相似。

格什曼说，除了最近在单细胞生物体中进行的一些学习实验之外，还有一些来自多细胞生物体的证据，表明至少有一些类型的记忆可在细胞内部的变化中被编码，比如DNA的表观遗传修饰或基因调控网络的改变。他补充说道，虽然“单细胞生物可能会进行学习”这一观点“仍然未被部分草履虫生物学家接受”，但他希望一种更加开放的态度可以帮助研究人员确定动物界中复杂行为产生的一般规则，并最终更好地理解学习和记忆到底是什么。

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是一个由来已久的难题，其难点在于如何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，这就意味着要证明她实验中的原生动物是因为把新的刺激和特定奖励联系在了一起而做出了某些行为去适应这些新的刺激，而不是因为它们会对来自例如细菌或电线的化学或其他信号本能地做出反应。格什曼说，盖尔伯的批评者也做了实验，他们得出的结论是盖尔伯的发现是不可复现的，但这些批评者所设计的实验也存在这方面的问题。而盖尔伯确实进行了几次认真的对照实验，格什曼说这加强了她的结论的可信度。然而“对她的批评却如影随形，因为这更符合人们的倾向”，格什曼说道，人们认为单细胞生物根本不具备学习能力。

对于有兴趣寻找多细胞动物以外的学习实例的研究人员来说，这些实验层面的挑战仍然存在。哈佛大学医学院的系统生物学家、与格什曼共同撰写了发表在eLife杂志上的论文的作者杰里米·古纳瓦德纳（Jeremy Gunawardena）对这类研究对象十分熟悉。几年前，他的实验室就开始从事单细胞、喇叭状纤毛动物带核喇叭虫的相关研究工作。

与格什曼一样，古纳瓦德纳说他对于单细胞生物是如何挑战科学家对学习和其他复杂行为的必要条件的理解十分着迷。为了探索这些想法，他的团队开始着手重复赫伯特·詹宁斯（Herbert Spencer Jennings）的实验。詹宁斯是一位动物学家，在盖尔伯开始草履虫研究之前几十年，詹宁斯就对带核喇叭虫进行过研究。詹宁斯使用胭脂红染料作为刺激物，发现带核喇叭虫在反复暴露于刺激物时会做出不同的反应，这表明它们在某种程度上正从过去的经验中学习。跟盖尔伯一样，他的发现在20世纪中期遭到了批评，并被认为是不可重复的——这“真的让我如鲠在喉”，古纳瓦德纳说，尤其是因为詹宁斯的主要诋毁者在重复他的实验并失败时，甚至都未使用与詹宁斯实验中相同种类的喇叭虫。

在他们自己的研究中，古纳瓦德纳和他的同事用一根针给放置在显微镜载玻片上的带核喇叭虫细胞投递聚苯乙烯珠，该团队发现这种刺激物能够比胭脂红染料更有效地引起细胞的反应。作为回应，这种原生动物表现出了各种躲避行为，例如弯曲身体避开珠子，卷曲，或完全游开。研究人员发现，正如詹宁斯之前所报道的那样，这些细胞似乎表现出了一种行为等级——起初反应不那么剧烈，比如轻微弯曲，但对随后的刺激做出反应变为游开或收缩。研究人员2019年发表在《当代生物学》（Current Biology）杂志上的一篇论文中得出结论说，虽然这种行为不像在巴甫洛夫的狗等动物身上观察到的联想学习那样复杂，但研究结果确实表明带核喇叭虫是根据自身以前的经验调整了其反应。看来，詹宁斯是对的。

另一种似乎具有某种基本学习能力的单细胞生物是黏菌多头绒泡菌。这是一种不寻常的单细胞生物，它可以包含多个核， 奥黛丽·杜苏图尔（Audrey Dussutour）解释道。她是图卢兹大学和法国国家科学研究中心（CNRS）的一名生物学家。她在2017年出版的著作《变形怪体》（Le Blob）中，将多头绒泡菌定位为一种用以解释“非神经生物”复杂行为的模型。几年前，她的团队发现，这种黏菌显示出一种叫作习惯化的非联想性学习类型，在这种学习类型中，生物体逐渐习惯于某种特定的刺激，并不再对其做出反应。一个多细胞生物中的例子就是，当一只老鼠在被突然的巨响惊吓后，听到同样声音的次数越多，它对这种声音的反应就越少。

杜苏图尔的研究小组发现，如果把奎宁和咖啡因这两种黏菌通常避之不及的化合物放在一个能让黏菌获得食物的桥上，那么多头绒泡菌则会对这两种化合物表现出习惯化。杜苏图尔说，刚一开始黏菌在涂有化合物的桥上摸索着通过需要花费很长时间，但一旦开始这样做了，那么它们似乎就不再在意这些先前避之不及的刺激物。她补充说道，与多细胞动物的习惯化观察相一致的是，如果黏菌在几天内没有再接触过这些化合物，它们就会“恢复”对这些化合物的厌恶。该团队进行了仔细的对照实验，以证明这种习惯化是针对特定化合物的，而不仅仅是感官超负荷引起的疲劳反应。

法国国家科学研究中心研究人员的实验表明，通过伸展身体的边缘进行移动的单细胞黏菌多头绒泡菌展示了一种简单的非联想性学习形式，称为习惯化。将黏菌养在培养皿中，该培养皿由桥连接到一盘食物。通常情况下，黏菌会沿着桥生长①。将普通的桥换成涂有黏菌通常会躲避开的物质（例如奎宁）的桥，可大大减少黏菌在桥上的移动②。然而，黏菌经过几天对涂有奎宁的桥的熟悉之后，黏菌就习惯了，并会像平常一样在桥上生长③。这种行为的变化不是永久性的——如果黏菌再次遇到普通的桥④，它似乎就忘记了自己的习惯，然后在遇到另一个涂有奎宁的桥时表现出同样的厌恶行为⑤

杜苏图尔说，这些研究和其他一些关于这一争议话题的研究证明了关于非神经认知方面的讨论正在发生变化。“十年前，你在eLife杂志和《当代生物学》上是看不到关于单细胞生物体学习方面的论文的。”她说，“我真的认为人们对此越来越感兴趣了。”格什曼表示，他希望将来会有更多的相关研究，并补充说他的实验室已经设计了自己的草履虫实验。

纤毛虫和黏菌的非联想性学习

不过，并不是所有人都相信这里有值得一观的东西。一些生物学家继续将原生动物视为“刺激反应装置，它们似乎能够进行复杂的行为，但实际上这些行为存在简单的机制解释，”格什曼说，“这是一个多世纪以来的研究项目。”

茱蒂丝·范霍滕（Judith Van Houten）是佛蒙特大学的生物学家兼草履虫研究专家，最近她写信给格什曼及其同事解释说，她发现盖尔伯的实验是有缺陷的，并且关于联想学习的说法与科学上对于这种原生动物的理解是矛盾的。她拒绝为本文接受采访，但在给《科学家》（The Scientist）杂志的一封电子邮件中写道，“所有关于草履虫的行为研究都必须建立在对它们生理机能已有的理解基础上，而这些理解是建立在全球范围内长期、严谨的研究基础上的”。

对细胞内记忆机制的研究

学习通常需要某种形式的对环境信息的存储，所以格什曼等研究人员希望通过对单个细胞形成记忆的可能性机制的探索来推进对话，无论是在水坑里游弋的单细胞生物，还是多细胞动物体内的单个细胞。古纳瓦德纳说，把这两种研究对象归为一类并不像听起来那么奇怪。“很多机制都是相通的”。

例如，他指出，草履虫对特定刺激发生应答时会产生钙基动作电位，并展示出GABA受体——这是一种在多细胞动物中得到了充分研究的神经递质，因此在科学文献中经常被称为“游泳神经元”。“我认为，如果我们能在单细胞生物中发现这些机制，那么这些机制可能也适用于多细胞生物。”古纳瓦德纳补充说道。他的实验室也计划在分离出的哺乳动物细胞中进行行为适应和习惯化的实验。

古纳瓦德纳和其他研究者所追求的通用细胞内信息存储的一种候选物是核糖核酸（RNA），RNA的产生和修饰贯穿于生物体的整个生命周期中。到目前为止，这个想法的探索主要是在简单的多细胞生物而不是单细胞生物中，这一想法起源于20世纪60年代，当时的生物学家詹姆斯·麦康奈尔（James McConnell）声称，他可以将一个个体的RNA分子注入另一个个体中，从而在扁形虫之间转移记忆。这项研究再次被科学界中的大多数人认为是不可重复的，它很快就从主流科学话语中消失了。

普林斯顿大学的科琳·墨菲（Coleen Murphy）的研究小组是目前正在重新审视这一概念的实验室之一。墨菲和她的同事们研究了秀丽隐杆线虫，这种线虫在接触到危险细菌后，能够学会避开环境中的危险细菌。在2020年年底发表在bioRxiv上的一篇预印本中，该团队报告说，一种从未遇到某种特定细菌的蠕虫，在接触到接触过该特定细菌的蠕虫碎片后，仍然可以学会避开这种细菌。研究人员发现这些似乎包含有RNA的微小颗粒——尽管没有足够的基因物质来测序——对这种转移至关重要。

另一个由加州大学洛杉矶分校的大卫·格兰兹曼（David Glanzman）领导的研究小组在几年前报告了证据，表明在加州海兔（Aplysia californica，一种海蜗牛）身上，RNA似乎至少携带着某些类型的记忆。在一组实验中，该团队从经历过电击的海蜗牛的神经细胞中提取出RNA，并将该RNA注射到没有经历过电击的海蜗牛中。与注射了未经过电击的海蜗牛的RNA的海蜗牛相比，注射了经历过电击的海蜗牛RNA的海蜗牛在接受注射后，与它们的赠体一样，表现得更谨慎，在被研究人员拍打后表现出更长时间的畏缩行为。此外，用电击过的海蜗牛的RNA处理过的培养的海蜗牛神经细胞比用未电击过的海蜗牛的RNA处理过的细胞更容易被电流刺激到。

秀丽隐杆线虫

格兰兹曼和他的同事们推测，提取出的RNA可能是通过诱导受体海蜗牛神经元的DNA发生表观遗传性变化，随后改变了动物的行为，从而在生物体之间转移记忆。当时他向《科学家》杂志承认他这一想法“很有可能因为过于不可思议而震惊到绝大部分同行”。格什曼指出，目前已有少量研究表明脊椎动物在各种学习任务中DNA甲基化或组蛋白修饰的模式会发生变化，尽管神经科学家通常认为这些表观遗传学变化在记忆的形成过程中起到的是辅助作用，而并非存储了这些记忆，他补充说道。

杜苏图尔说，她的团队希望将这些想法应用于单细胞生物的研究，目前正在与分子生物学家合作，看看基于RNA的机制是否有可能是黏菌习惯化的基础。其他研究人员仍在就不同细胞机制的物理修饰如何为单细胞记忆的形成提供机会继续提出假设。格什曼说，可能的机制包括细胞骨架的改变和细胞内蛋白质的酶磷酸化和去磷酸化的循环。就在今年，德国的研究人员报告称多头绒泡菌可能利用自身的细胞形态来存储之前在哪里找到过食物的信息。

然而，已提出的另一种单细胞学习机制完全绕过了对细胞成分进行物理修饰的需要。再生和发育生物学家迈克尔·勒文（Michael Levin）说，虽然这些修饰就像是“硬件的改变”，但也可能存在“软件的改变”。他在塔夫斯大学的研究小组一直在研究单个细胞中控制基因表达的基因调控网络。在今年早些时候发表的计算研究中，勒文和同事们探讨了这些网络是如何在不需要进行基础物理改变的情况下转变其对特定刺激或输入的应答——就像计算机是如何在不需要从物理层面改变其硬件的情况下将一些信息键入其文字处理器。

尾草履虫

在这种网络的最简单版本中，我们认为基因是通过与其他基因的相互作用或外部环境的刺激而激活或失活的。记忆的产生是因为网络中基因的当前状态依赖于迄今为止发生的所有交互作用和输入。在该团队已经研究过的某些情况下，这意味着网络可以通过训练来学习特定的联想，并使其未来的行为更为适合，“并不是因为我们改变了基因A和基因B之间的联系……简单地说，某些经历会通过改变系统对未来刺激的反应来改变系统的整体稳定状态。”勒文说道，“这是一件人们非常急于知道的事情。”

对于一些神经科学家来说，这些或其他细胞内信息存储机制甚至可以为人类记忆和学习的工作原理更传统的多细胞理论提供替代理论或至少是一种理论上的补充。格什曼说：“多年来，人们一直抱怨我们目前对大脑记忆的理解方式不够充分。”主导思想，即突触可塑性理论，认为记忆储存在神经元之间的连接中，而学习即产生于这些连接的相对强度的变化。

但它受到了许多科学家的批评，包括罗格斯大学名誉教授、eLife论文的合著者兰迪·加利斯特尔（Randy Gallistel），以及加州大学洛杉矶分校的格兰兹曼，因为它未能充分解释现实生活中的数据。格什曼说，虽然目前还不清楚新提出的细胞内机制是否会填补这个空缺，但这些理论正在挑战研究人员对传统认知理论的重新思考。

超越思想体系

尽管接受《科学家》杂志采访的研究人员表示，他们认为对单细胞生物和多细胞生物的研究有重叠是有价值的，但他们承认，关于学习和其他认知过程的界限的争议还远未解决。例如，杜苏图尔认为，如果研究人员没有借用传统动物行为研究的术语来表述他们在单细胞研究中的发现，那么他们讨论单细胞研究中的发现时争议可能会小一些，这可能意味着两者的等价性还有待证明。“我想……人们之所以会感到沮丧是因为我们把它叫作学习，”她谈到自己和其他人对单细胞生物的研究时说，“当人们谈论到有关植物的神经生物学时，也面临同样的情况。”她指的是围绕植物是否能显示出类似动物的认知能力而不时出现的激烈辩论。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”。她又补充说道，对她来说，与其试图把特定的行为归为这一类或那一类，“研究它们为什么会那样做才是更有趣的”。

然而，勒文则辩称，正是对通用概念的使用才有助于研究人员识别和讨论可能会被忽略的相似之处。他提出，一个人可以说“这叫记忆，也叫存忆”，这就满足了那些希望独立于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，那就是一致性。”他补充说，随着研究人员现在正在有生命介质和非生命介质中构建人工智能系统，单细胞已经不再算是学习方面最奇怪的例子。“最重要的是，这些都是广泛存在于各种系统中的一种基本能力的实例——根据你过去的经验改变你未来行为的能力。”

盖尔伯本人可能会赞同这种整体观点，她在几篇论文中都讨论过草履虫的研究如何为生物的信息存储和行为提供一般的见解。格什曼说，在他和他的同事开始在Twitter上询问关于盖尔伯的事情后，维基百科上就新增了有关盖尔伯生活和工作的内容。他告诉《科学家》杂志，无论人们对盖尔伯的实验有过什么疑虑，她的想法从未被人真正重视过，这让他感到十分遗憾。重新审视她被遗忘了的研究，“让我敏锐地意识到了科学中的社会学，以及事物可能被过早否决的方式，”他说道，“研究范式可能会导致狭隘的视野的产生，我们最终会以一种思考某些现象的特定方式积累信息，然后最终会使所有研究替代方案的努力受到阻碍。”

资料来源 The Scientist