Одноклеточный организм без мозга оказался способен к обучению по Павлову

Простейшая форма обучения, известная как привыкание, заключается в постепенном снижении реакции на повторяющийся, безвредный стимул, например, запах или шум. Это характерно для всех животных и наблюдалось даже у растений. Также это было продемонстрировано у некоторых простейших, имеющих сложные эукариотические клетки, как животные, наземные растения и грибы, но в целом являющихся одноклеточными организмами, включая трубчатого Stentor coeruleus и слизевика Physarum polycephalum. Результаты нового исследования были опубликованы на bioRxiv.

Гораздо сложнее научиться связывать различные типы стимулов или событий и предсказывать, что один связан с другим. Наиболее известным примером такого ассоциативного обучения является эксперимент Ивана Павлова, в котором звук колокольчика сочетался с кормлением собак, в результате чего животные начинали выделять слюну при звуке колокольчика.

Теперь Сэм Гершман из Гарвардского университета и его коллеги, используя аналогичные эксперименты по обусловливанию, показали, что Stentor, по-видимому, также способен к ассоциативному обучению.

Эти удивительные организмы живут в прудах и плавают, используя ряды похожих на волоски ресничек, идущих вдоль их боков. Достигая 2 миллиметров в длину, они являются гигантами среди одноклеточных организмов. На одном конце у них есть якорь, называемый прикрепительным органом, для прикрепления к поверхности, а на другом — их трубчатый пищевой аппарат.

«Когда они прикреплены, они просто фильтруют пищу. Если их потревожить, они быстро сжимаются в сферу. В это время они не могут питаться, поэтому с экологической точки зрения выгодно не реагировать таким образом часто, если только это не необходимо», — говорит Гершман.

Он и его коллеги использовали это поведение, чтобы исследовать, насколько Stentor способен к обучению. Сначала они сильно постукивали по дну чашек Петри, содержащих культуры из нескольких десятков клеток Stentor. В ответ большинство организмов сначала быстро сокращались, но по мере того, как постукивания продолжались каждые 45 секунд, всего 60 ударов, сокращалось все меньше и меньше Стенторов, что свидетельствует об их привыкании к сигналу.

Затем культуры Стенторов почувствовали слабый постукивание — в ответ на которое обычно сокращается меньше организмов — за 1 секунду до сильного постукивания. Пары постукиваний повторялись каждые 45 секунд, что примерно соответствует времени, необходимому Стентору для повторного разворачивания.

В ходе более чем 10 повторений этого процесса вероятность сокращения организмов сразу после слабого постукивания сначала увеличивалась, а затем уменьшалась. «Мы наблюдали этот пик на графике, где скорость сокращения сначала возрастает, а затем снижается. Если вы просто предъявляете слабый постукивание отдельно, вы этого не увидите», — говорит Гершман.

Исследователи утверждают, что это означает, что Стентор связал слабый постукивание с более сильным, что делает его первым известным простейшим, способным освоить ассоциативное обучение. «Это поднимает вопрос о том, способны ли, казалось бы, простые организмы на те аспекты познания, которые мы обычно связываем с гораздо более сложными многоклеточными организмами, обладающими мозгом», — говорит Гершман.

Это также предполагает древнее эволюционное происхождение ассоциативного обучения за сотни миллионов лет до появления многоклеточных нервных систем, говорит он. Другие следы этого можно увидеть в том, как наши нейроны, по-видимому, способны учиться на основе входных сигналов, не завися от модификации синапсов или связей между нейронами — а именно так, как считается, работает большинство процессов обучения, говорит он.

«Удивительно, что одна клетка может делать такие сложные вещи, которые, как мы думали, требуют мозга, нейронов, поведенческого обучения», — говорит Шашанк Шекхар из Университета Эмори в Атланте, штат Джорджия, который показал, что Stentor может объединяться в недолговечные группы для более эффективного питания.

Он считает, что другие одноклеточные организмы также могут быть способны к ассоциативному обучению. «Моё внутреннее чувство подсказывает, что если это было однажды, то будет и впредь», — говорит он.

Если организм учится, это значит, что он каким-то образом должен хранить память. Как это происходит у Стентора, пока неизвестно, но Гершман предполагает, что это связано с рецепторами, которые реагируют на прикосновение, позволяя кальцию поступать в клетку, изменяя напряжение внутри и заставляя Стентора сокращаться. Он предполагает, что после повторных стимулов некоторые рецепторы каким-то образом модифицируются, действуя как молекулярный переключатель, останавливающий сокращение.