楊宇琴

對(duì)人類和很多動(dòng)物來(lái)說(shuō)，記憶和學(xué)習(xí)與大腦功能和一系列復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)。而越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，一些結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的生物雖然沒(méi)有大腦卻也能學(xué)習(xí)。箱形水母、海兔和海星都是無(wú)腦學(xué)習(xí)的典型例子。也許這并不算什么大新聞，畢竟，這些生物也并不是沒(méi)有神經(jīng)細(xì)胞，只是它們的神經(jīng)元在體內(nèi)的分布較為分散，并不聚集成束。嚴(yán)格來(lái)講，是神經(jīng)元使它們擁有學(xué)習(xí)的能力。

那如果連神經(jīng)元也沒(méi)有呢？地球上大部分生物都沒(méi)有神經(jīng)元，但它們卻可以隨意做出復(fù)雜的行為。以前，科學(xué)家們將這一現(xiàn)象歸結(jié)為生物歷經(jīng)數(shù)代進(jìn)化出的先天反應(yīng)，但現(xiàn)在看來(lái)，這些不起眼的非神經(jīng)生物似乎真的可以學(xué)習(xí)。這讓科學(xué)家感到不可思議。一些科學(xué)家正努力探尋它們的學(xué)習(xí)機(jī)制，而另一些科學(xué)家則已經(jīng)開(kāi)始研究如何利用這種能力，來(lái)為對(duì)抗疾病和設(shè)計(jì)智能機(jī)器提供新的思路。

神奇的黏菌

黏菌是一種不尋常的生物，它既不是植物、動(dòng)物，也不是細(xì)菌或真菌。它通?？瓷先ハ褚坏温湓诘匕迳系臋幟梳u。這種外觀只是黏菌生命一個(gè)階段的表現(xiàn)，在這個(gè)階段，大量有自己獨(dú)特DNA的單個(gè)細(xì)胞混合和融合在一起。由此產(chǎn)生的黃色斑點(diǎn)可以長(zhǎng)到幾平方米大，而整個(gè)斑點(diǎn)只是一個(gè)內(nèi)含成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核的巨大的細(xì)胞。

沿著枯木“爬行”的黏菌。

在自然界中，當(dāng)黏菌沿著森林的地面爬行時(shí)，它依靠分布于其表面的化學(xué)感受器來(lái)感知道路上的物質(zhì)。如果黏菌感受到任何有吸引力的東西，如食物，它就會(huì)迅速有規(guī)律地跳動(dòng)，使自己接近那個(gè)東西。如果黏菌遇到毒素等有害物質(zhì)，則產(chǎn)生相反的反應(yīng)，黏菌會(huì)減慢其規(guī)律的跳動(dòng)，收縮身體，遠(yuǎn)離潛在的傷害。

黏菌行動(dòng)緩慢，最高速度只能達(dá)到每小時(shí)4厘米。但黏菌的可移動(dòng)性為研究人員在實(shí)驗(yàn)中帶來(lái)許多創(chuàng)意。2016年，法國(guó)科學(xué)家迪敘圖爾及其團(tuán)隊(duì)用黏菌做了一系列實(shí)驗(yàn)。他們準(zhǔn)備了黏菌愛(ài)“吃”的燕麥，并將燕麥有策略地放置在黏菌無(wú)法觸及的地方，僅留一座“橋梁”可容黏菌爬過(guò)。然后，他們?cè)跇蛏戏胖昧丝Х纫虻瑞ぞ幌矚g的物質(zhì)。盡管這些物質(zhì)的濃度不至于對(duì)黏菌造成傷害，但也足以延緩黏菌通過(guò)的速度。最后，黏菌還是屈服于食物的誘惑，通過(guò)了橋梁。

隨著時(shí)間流逝，黏菌通過(guò)橋梁的速度加快。幾天之后，黏菌已經(jīng)能完全忽略咖啡因等物質(zhì)。也就是說(shuō)，黏菌在逐漸適應(yīng)這些物質(zhì)。這是一種簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)方式，即對(duì)無(wú)關(guān)線索的反應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間減弱。這令研究人員很驚訝，因?yàn)轲ぞ](méi)有神經(jīng)，而在此之前，所有學(xué)者都認(rèn)為學(xué)習(xí)的能力依賴于神經(jīng)系統(tǒng)。

黏菌的學(xué)習(xí)機(jī)制

如果不是神經(jīng)系統(tǒng)使得黏菌能夠?qū)W習(xí)，那又是什么呢？科學(xué)家推測(cè)，黏菌的經(jīng)歷改變了它們的基因表達(dá)。細(xì)胞核內(nèi)有些分子可以結(jié)合到DNA上，以激活或停止某種基因的表達(dá)。它們不會(huì)改寫基因序列，但可以暫時(shí)改變它的讀取方式。這一過(guò)程被稱為表觀遺傳調(diào)控，它滿足了對(duì)記憶和學(xué)習(xí)的最基本的要求。有科學(xué)家認(rèn)為，這就是黏菌學(xué)習(xí)的方式。

類似的學(xué)習(xí)機(jī)制也存在于海兔中。海兔又稱海蛞蝓，它沒(méi)有大腦，只有少量神經(jīng)細(xì)胞。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的相關(guān)理論，當(dāng)動(dòng)物學(xué)會(huì)某件東西時(shí)，記憶就會(huì)被儲(chǔ)存在相鄰神經(jīng)元之間的突觸中。在一項(xiàng)研究中，研究人員對(duì)海兔進(jìn)行了反復(fù)刺激，使它記住了這種刺激。然后，他們打斷了海蛞蝓在訓(xùn)練中形成的突觸，結(jié)果不出所料，這些記憶消失了。然而，當(dāng)用電流刺激神經(jīng)元時(shí)，神經(jīng)突觸會(huì)重新生長(zhǎng)，記憶也會(huì)恢復(fù)。研究人員認(rèn)為，這些記憶會(huì)以表觀遺傳變化的形式儲(chǔ)存在神經(jīng)元的DNA中?？茖W(xué)家由此推測(cè)，其他類型的細(xì)胞也可能發(fā)生類似的變化，這令沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)的生物也可以學(xué)習(xí)。

海兔，一種無(wú)殼的軟體動(dòng)物，因具有數(shù)量少而體積大的神經(jīng)元而常常被用于神經(jīng)生物學(xué)研究。

通過(guò)訓(xùn)練適應(yīng)了鹽的黏菌（H）很快通過(guò)了含鹽的橋，獲得了食物。而不具適應(yīng)性的黏菌（N）則長(zhǎng)時(shí)間被阻擋在橋邊。但經(jīng)過(guò)充分融合后，所有黏菌都學(xué)會(huì)了快速通過(guò)鹽橋。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，黏菌不僅可以學(xué)習(xí)，它們還可以互相傳授知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將已經(jīng)對(duì)鹽產(chǎn)生了適應(yīng)性的黏菌與未經(jīng)訓(xùn)練的黏菌融合在一起。結(jié)果，混合黏菌毫不猶豫地迅速通過(guò)了一座含鹽的橋。三個(gè)小時(shí)后，他們又將混合的兩部分分開(kāi)。原本未經(jīng)訓(xùn)練的那部分黏菌卻在通過(guò)橋梁時(shí)能繼續(xù)忽略鹽的威懾，好像之前對(duì)適應(yīng)鹽的那部分黏菌通過(guò)某種方式，將它學(xué)習(xí)到的知識(shí)傳遞給了“同伴”。對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象的一種可能的解釋是：黏菌在融合過(guò)程中，交換了表觀遺傳信息。

植物也會(huì)學(xué)習(xí)

含羞草在受到某些外界刺激（如觸碰）時(shí)，會(huì)迅速合上葉片。

除了像黏菌這樣的單細(xì)胞生物，沒(méi)有神經(jīng)元的多細(xì)胞生物似乎也有學(xué)習(xí)能力。而這其中的生理機(jī)制就更難解釋了。因?yàn)樗鼈冇懈嗟募?xì)胞，而且這些細(xì)胞還必須相互協(xié)調(diào)，共同完成某種活動(dòng)。當(dāng)沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)整合和協(xié)調(diào)時(shí)，它們是怎樣學(xué)習(xí)的呢？

澳大利亞一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他們反復(fù)將一些含羞草從15厘米的高度扔向地板上的軟墊。剛開(kāi)始，含羞草在墜落時(shí)，會(huì)“驚恐”地合上葉片。但經(jīng)過(guò)約5次安然無(wú)恙的落地之后，含羞草就不再合起葉片，仿佛明白了這種墜落不會(huì)給它們?cè)斐蓚?。甚至在靜養(yǎng)一個(gè)月后，再一次的墜落實(shí)驗(yàn)也不能引起任何反應(yīng)。含羞草“記住”了之前的經(jīng)驗(yàn)。

豌豆苗實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停河肶型管套住小苗，一組的光源和風(fēng)扇在同一方向，另一組則在相反方向。

觀察到植物的習(xí)慣化現(xiàn)象后，他們想更進(jìn)一步。既然巴甫洛夫通過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練狗，可以使狗聽(tīng)見(jiàn)鈴聲（無(wú)關(guān)刺激）就想到食物（獎(jiǎng)勵(lì)）。那么，能否讓植物也學(xué)會(huì)把一種獎(jiǎng)勵(lì)和無(wú)關(guān)刺激聯(lián)系到一起呢？

科學(xué)家們對(duì)豌豆幼苗進(jìn)行了訓(xùn)練。眾所周知，植物具有向光性，幼苗的向光生長(zhǎng)尤其明顯。研究人員把豌豆苗放在黑暗中，然后從一個(gè)特定方向照入光線（獎(jiǎng)勵(lì)），并在相反的方向放置風(fēng)扇吹風(fēng)（無(wú)關(guān)刺激）。而另一些豌豆苗，則設(shè)置為風(fēng)和光線從同一方向進(jìn)入。訓(xùn)練結(jié)束后，他們把光源移除，僅使用風(fēng)扇對(duì)所有的植物吹風(fēng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，那些適應(yīng)于光和風(fēng)來(lái)自同一方向的豌豆苗逐漸向風(fēng)扇方向生長(zhǎng)，而那些適應(yīng)于光和風(fēng)來(lái)自不同方向的豌豆苗逐漸遠(yuǎn)離放置風(fēng)扇的方向。這些植物似乎在尋找它們的獎(jiǎng)勵(lì)。它們已經(jīng)學(xué)會(huì)將風(fēng)和光聯(lián)系起來(lái)。

一些科學(xué)家對(duì)這一振奮人心的結(jié)果略表懷疑。有學(xué)者認(rèn)為，這個(gè)關(guān)于植物習(xí)慣化的初步理論缺乏有力的支持證據(jù)，應(yīng)該在在初步證據(jù)的基礎(chǔ)上建立理論之前，把支撐材料再準(zhǔn)備豐富一些。另外，在動(dòng)物的聯(lián)想學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中，大約90%的受試動(dòng)物會(huì)做出反應(yīng)，而植物實(shí)驗(yàn)中只有60%的豌豆苗做出反應(yīng)。還有一個(gè)質(zhì)疑的重點(diǎn)則在于學(xué)習(xí)的定義。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)理論，學(xué)習(xí)和記憶都是頭腦中進(jìn)行的心理過(guò)程，而這一過(guò)程集中發(fā)生在大腦中。按照這一定義，植物是無(wú)法學(xué)習(xí)的。

無(wú)腦生物的啟示

當(dāng)然，不是所有科學(xué)家都贊同這種嚴(yán)格的定義，也有些學(xué)者對(duì)植物學(xué)習(xí)的機(jī)制頗感興趣。動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞中有一種叫做NNDA受體的分子，這種受體可加強(qiáng)在同一時(shí)間被反復(fù)刺激的神經(jīng)元之間的聯(lián)系，從而使動(dòng)物將同時(shí)發(fā)生的事件聯(lián)系到一起。有科學(xué)家推測(cè)，在植物中應(yīng)該也有類似的“關(guān)聯(lián)分子”?？茖W(xué)家認(rèn)為，一定有某種系統(tǒng)能讓這些記憶被記錄下來(lái)，并正確地儲(chǔ)存在生物體中，當(dāng)植物受到相應(yīng)刺激時(shí)就會(huì)觸發(fā)記憶。

這種機(jī)制可能很難理解，不過(guò)只是意識(shí)到無(wú)腦的生物體也有學(xué)習(xí)能力，就已經(jīng)可能帶給人類一些實(shí)際的回報(bào)了。有很多單細(xì)胞生物對(duì)人類非常有害，例如導(dǎo)致瘧疾的瘧原蟲，它和黏菌都是原生生物，以前從來(lái)沒(méi)有人想過(guò)這類生物是可以學(xué)習(xí)的?？茖W(xué)家認(rèn)為，了解病原體是否能夠?qū)W習(xí)以及如何學(xué)習(xí)，有助于研究出防治它們的新策略。

了解表觀遺傳學(xué)習(xí)機(jī)制也可以幫助計(jì)算機(jī)科學(xué)家改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型，人工智能的算法基本都是基于這一模型建立的。目前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基于赫布的學(xué)習(xí)理論——當(dāng)兩側(cè)的神經(jīng)元同時(shí)激活時(shí)，突觸就會(huì)變得更強(qiáng)。換句話說(shuō)，那些同時(shí)被激活的神經(jīng)元會(huì)連接在一起。有科學(xué)家認(rèn)為，將表觀遺傳記憶的概念也融入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將會(huì)使這種模型更豐富。

記憶轉(zhuǎn)移

而黏菌相互學(xué)習(xí)的現(xiàn)象還讓一些科學(xué)家想到一種關(guān)于“記憶轉(zhuǎn)移”的理論。如果一個(gè)黏菌能通過(guò)與另一個(gè)黏菌融合來(lái)傳授知識(shí)，那在動(dòng)物身上會(huì)發(fā)生類似的事情嗎？半個(gè)多世紀(jì)前，美國(guó)科學(xué)家麥康奈爾的實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)物身上也可能會(huì)有類似的現(xiàn)象。他對(duì)淡水扁蟲進(jìn)行了訓(xùn)練，通過(guò)反復(fù)在電刺激的同時(shí)予以光刺激，來(lái)訓(xùn)練扁蟲對(duì)光產(chǎn)生恐懼。然后，他把它們磨碎，喂給沒(méi)有受過(guò)訓(xùn)練的扁蟲。之后，每當(dāng)有燈光閃過(guò)，這些未受訓(xùn)練的扁蟲就會(huì)抽搐。

麥康奈爾認(rèn)為，那些受過(guò)訓(xùn)練的扁蟲的記憶被編碼成小分子，未受訓(xùn)練的扁蟲將這些小分子吞下后擁有了同樣的記憶。他的實(shí)驗(yàn)不具可重復(fù)性，因此這一結(jié)論并不太可信。但是，在當(dāng)今的許多科學(xué)家都認(rèn)同一種相似的觀點(diǎn)：小RNA（一類表觀遺傳分子）可以激活記憶。一位神經(jīng)生物學(xué)家說(shuō)：“通過(guò)將RNA從一種動(dòng)物的大腦轉(zhuǎn)移到另一種動(dòng)物的大腦來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移某些方面的記憶，原則上說(shuō)，這不是不可能的?！倍绻洃涋D(zhuǎn)移真能實(shí)現(xiàn)，將造成令人難以置信的影響。

貌不驚人的淡水扁蟲（渦蟲）囊的能傳遞記憶嗎？

也有一些科學(xué)家對(duì)記憶轉(zhuǎn)移持更謹(jǐn)慎的態(tài)度，但不完全否定生物體間可以傳遞某些適應(yīng)性或敏感性的可能。正如一位學(xué)者所言，當(dāng)我們對(duì)自然界的了解越多，就越不會(huì)輕易否定某種可能性的存在，因?yàn)榇笞匀恢杏刑嘞∑婀殴值氖虑榱恕?h3>不需要大腦

人類全身有約860億個(gè)神經(jīng)元，其中，大腦皮層的神經(jīng)元數(shù)量就達(dá)到了160億個(gè)。而有的生物只擁有很小的腦或根本沒(méi)有大腦，卻具有驚人的能力。

黏菌：沒(méi)有神經(jīng)元

當(dāng)研究者將黏菌的食物按照模擬東京周邊城市布局放置時(shí)，黏菌會(huì)將自己的菌體擴(kuò)散形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)過(guò)精心規(guī)劃的日本東京鐵路系統(tǒng)非常相似。

日本東京及其周圍的鐵路網(wǎng)絡(luò)（a）和黏黼體網(wǎng)絡(luò)（b）。

經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，大黃蜂能把小球搬到指定位置（黃色圓圈內(nèi)）。

豌豆苗：沒(méi)有神經(jīng)元

研究人員提供給豌豆苗兩種生長(zhǎng)環(huán)境，一種營(yíng)養(yǎng)供給穩(wěn)定，另一種營(yíng)養(yǎng)非常豐富但可能之后會(huì)變得貧瘠。當(dāng)豌豆苗本身養(yǎng)料充足時(shí)，它們會(huì)更傾向選擇前者;但當(dāng)豌豆苗本身養(yǎng)料不足時(shí)，則它們更傾向于賭一把，為更多潛在的獎(jiǎng)勵(lì)冒著風(fēng)險(xiǎn)選擇后者。

箱形水母：約13萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元

箱形水母可以使用它們24只眼睛里的其中4只來(lái)透過(guò)水面觀察樹(shù)冠，以指引自己穿過(guò)紅樹(shù)林沼澤。

箱型水母

淡水蝸牛：約2萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元

一個(gè)僅由兩條神經(jīng)元組成的回路決定著淡水蝸牛是否進(jìn)食?？刂粕窠?jīng)元感受食物的存在，動(dòng)力神經(jīng)元向大腦傳遞饑餓感。

果蠅：約2.5萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元

果蠅在分辨非常相似的氣味時(shí)花費(fèi)的時(shí)間比分辨差別很大的氣味時(shí)花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，這說(shuō)明它們是在思考后而不是沖動(dòng)的做出判斷。

大黃蜂：約100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元

在一項(xiàng)研究中，研究人員用一個(gè)特殊裝置訓(xùn)練大黃蜂，讓它們學(xué)會(huì)通過(guò)拉動(dòng)一條繩子吃到糖。然后一批未經(jīng)訓(xùn)練的大黃蜂也被放入這個(gè)裝置，這些大黃蜂可以通過(guò)觀察被訓(xùn)練過(guò)的大黃蜂，學(xué)會(huì)拉動(dòng)繩子。通過(guò)訓(xùn)練，它們還可以將一個(gè)小球搬運(yùn)到指定目標(biāo)上。

聯(lián)系的力量

巴甫洛夫的狗學(xué)會(huì)了把鈴聲和即將到來(lái)的食物聯(lián)系起來(lái)。這是一種簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)方式，但它也許可以造成某些看似復(fù)雜的動(dòng)物行為。

以黑猩猩用石頭做工具砸開(kāi)堅(jiān)果為例。這種精密的行為被認(rèn)為是目前觀察到野生動(dòng)物界最復(fù)雜的行為之一。而黑猩猩可能是通過(guò)一種被稱為“反向推理”的過(guò)程，將一系列小步驟聯(lián)系在一起，從而學(xué)會(huì)用石頭砸開(kāi)堅(jiān)果。首先，黑猩猩可能從它媽媽那里偷來(lái)帶殼的堅(jiān)果，并將堅(jiān)果與美味獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系在一起：之后，當(dāng)它用石頭敲打堅(jiān)果時(shí)，將這一行為與美味獎(jiǎng)勵(lì)聯(lián)系在了一起;之后，手握石頭又變成一種獎(jiǎng)勵(lì)……如此重復(fù)，直到黑猩猩可以熟練使用這一工具。做完這一系列事情幾乎不太需要推理，但是一旦事件鏈條建立完整，黑猩猩就增加了一項(xiàng)高級(jí)技能。

這種方式對(duì)簡(jiǎn)單生物體影響深遠(yuǎn)，甚至一些植物也可以通過(guò)聯(lián)系來(lái)學(xué)習(xí)。那么，原則上來(lái)說(shuō)，即使一個(gè)神經(jīng)元也沒(méi)有，它們也可以通過(guò)反向推理學(xué)會(huì)更復(fù)雜的行為。