粘菌は、世界で最も奇妙な生物の 1 つです。長い間菌類と間違われていましたが、現在ではアメーバの一種に分類されています。単細胞生物なので、ニューロンも脳もありません。しかし約 10 年間、科学者たちは、粘菌が環境について学習し、それに応じて行動を調整する能力を持っているかどうかについて議論してきました.
フランス国立科学研究センターの生物学者であり、トゥールーズにあるポール・サバティエ大学の動物認知研究センターのチームリーダーであるオードリー・デュストゥールにとって、その議論は終わった。彼女のグループは、粘菌が通常避ける有害物質を無視するように教えただけでなく、生物が生理学的に破壊的な強制睡眠を 1 年続けた後でも、この行動を覚えていることを示しました。しかし、これらの結果は、粘菌、そしておそらく脳を持たない他のさまざまな生物が原始的な認識の形を示すことができることを証明していますか?
粘菌は、原生動物のように比較的簡単に研究できます。それらは、簡単に操作および観察できる肉眼で見える生物です。 900 種以上の粘菌があります。ほとんどの場合、単細胞生物として生きているものもありますが、食物が不足すると、群れになって集まって採餌し、繁殖します。他の、いわゆる原形質粘菌は、常に数千の核を含む 1 つの巨大な細胞として生きています。最も重要なことは、粘菌に新しいトリックを教えることができるということです。種によっては、カフェイン、塩分、強い光が嫌いかもしれませんが、これらでマークされた立ち入り禁止区域は見た目ほど悪くないことを学ぶことができます。これは慣れとして知られているプロセスです.
オーストラリアのマッコーリー大学の行動生物学者であるクリス・リードは、「慣れの古典的な定義によれば、この原始的な単細胞生物は、脳を持つ動物と同じように学習しています。 「粘菌は神経細胞を持たないため、学習の仕組みがまったく異なるはずです。ただし、結果と機能的重要性は同じです。」
Dussutour にとって、「そのような生物が学習する能力を持っているということは、非神経系での学習を認識する以上の意味を持っています。」彼女は、科学者が生命の木のいつどこで学習の最も初期の徴候が進化したかを理解するのに、粘菌が役立つかもしれないと信じています.
ボン大学の植物細胞生物学者である František Baluska は、さらに興味深いことに、そしておそらく物議をかもしているのは、粘菌が獲得した記憶を細胞から細胞へと伝達できることを Dussutour などの研究が示唆しているということです。 「これは、動物、人間、植物などのより大きな生物を理解する上で非常にエキサイティングです。」
慣れの歴史
原始生物の行動に関する研究は、1800 年代後半にさかのぼります。チャールズ ダーウィンと息子のフランシスが、植物の根の先端 (根尖と呼ばれる小さな領域) が脳として機能する可能性があると提案したときです。影響力のある動物学者であり初期の遺伝学者であるハーバート・スペンサー・ジェニングスは、1906 年の著書 Behavior of the Lower Organisms で同じ議論をしました。 .
しかし、単細胞生物が何かを学び、その記憶を細胞レベルで保持できるという考えは新しく、議論の余地があります。伝統的に、科学者は学習現象と神経系の存在を直接関連付けてきました。 Dussutour 氏によると、彼女の研究は「ひどく時間の無駄であり、行き詰まるだろう」と考える人が多かった.
彼女は自分自身を「粘菌の立場」に置くことからぬるぬるした塊の研究を始めた、と彼女は言った - 生き残り、繁栄するためにその環境について何を学ぶ必要があるのか疑問に思った.粘菌はゆっくりと這うので、乾燥しすぎたり、塩分や酸性が強すぎる環境では、簡単に立ち往生してしまいます。 Dussutour は、粘菌が不快な状況に慣れるかどうか疑問に思い、粘菌の慣れ能力をテストする方法を思いついた.
慣れは単なる適応ではありません。それは最も単純な学習形態であると考えられています。同じ条件に繰り返し遭遇したときに生物がどのように反応するかを指し、認識した刺激を除外できるかどうかは関係ありません。人間にとって、慣れの典型的な例は、衣服を着た直後に皮膚に対する衣服の感覚に気付かなくなることです.同様に、多くの不快な匂いや背景音に気付くのをやめることができます。特に、それらが変化していない場合、それらが生存にとって重要ではない場合.私たちや他の動物にとって、この形態の学習は、刺激を検出して処理し、反応を仲介する神経系のニューロンのネットワークによって可能になります。しかし、ニューロンを持たない単細胞生物では、どのようにして慣れが起こるのでしょうか?
2015 年から、Dussutour と彼女のチームは、日本の函館大学の同僚から粘菌のサンプルを入手し、それらの慣れる能力をテストしました。研究者たちは研究室に粘菌の一部を設置し、菌の好物であるオートミールを少し離れたところに置いた。オートミールに到達するために、粘菌はカフェインまたはキニーネのいずれかが混入したゼラチン橋を渡って成長しなければなりませんでした.
「最初の実験では、粘菌は橋を渡るのに 10 時間かかりましたが、実際には橋に触れないようにしていました」と Dussutour 氏は言います。 2 日後、粘菌は苦い物質を無視し始め、6 日後、各グループは抑止力に反応しなくなりました。
粘菌が学習した慣れは、その物質に固有のものでした.カフェインに慣れた粘菌は、キニーネを含む橋を渡ることにまだ消極的であり、その逆も同様でした.これは、生物が特定の刺激を認識し、それに対する反応を調整すること、そして無差別に橋を渡らないことを学習したことを示しています.
最後に、科学者たちは粘菌をキニーネにもカフェインにもさらされない状況で 2 日間休ませてから、有毒な橋で再びテストしました。 「私たちは彼らが回復するのを見ました - 彼らは再び回避を示しているからです」と Dussutour は言いました。粘菌は元の行動に戻っていました.
もちろん、生物は必ずしも学習を意味しない方法で環境の変化に適応できます。しかし、デュストゥールの研究は、粘菌が経験だけでなく、コミュニケーションの形を通じてこれらの行動を拾うことがあることを示唆しています.フォローアップ研究で、彼女のチームは、「ナイーブ」で慣れていない粘菌が、細胞融合を介して、慣れたものから学習した行動を直接獲得できることを示しました.
複雑な多細胞生物とは異なり、粘菌は多くの部分に切断できます。それらが再び一緒にされると、それらは融合して単一の巨大な粘菌を作り、それらが接続するにつれて、急速に流れる細胞質で満たされた静脈のようなチューブが形成されます. Dussutour は彼女の粘菌を 4,000 個以上に切り分け、その半分を塩で訓練しました。これは生物が嫌うもう 1 つの物質ですが、キニーネやカフェインほど強くはありません。チームは、塩に慣れた粘菌と慣れていない粘菌を混ぜ合わせて、さまざまな組み合わせでさまざまなピースを融合させました。次に、新しいエンティティをテストしました。
「私たちが形成している実体に慣れた粘菌が1つある場合、その実体は慣れを示していることを示しました」と彼女は言いました. 「つまり、1 つの粘菌が、この慣れた反応を別の粘菌に移すのです。」研究者は、3時間後（細胞質のすべての静脈が適切に形成されるまでにかかった時間）、異なるカビを再び分離しましたが、両方の部分はまだ慣れていました.有機体は学習しました。
原始的認知のヒント
しかし、Dussutour はさらに推し進めて、習慣化した記憶が長期的に思い出せるかどうかを確認したいと考えていました。そこで彼女と彼女のチームは、制御された方法でそれらを乾燥させることにより、ブロブを1年間眠らせました. 3 月に、彼らはブロブを目覚めさせました — ブロブは塩に囲まれていることに気づきました。慣れていない粘菌は、細胞から水分が急速に漏れ出すことに対処できなかったため、おそらく浸透圧ショックで死亡しました。 「私たちはそのように多くの粘菌を失いました」と Dussutour 氏は言います。 「しかし、慣れたものは生き残った。」彼らはまた、食べ物を探すために、塩辛い環境全体にすぐに広がり始めました.
4月にドイツのブレーメン大学で開催された科学会議でこの未発表の研究について説明したDussutourによると、それが意味することは、粘菌は学習することができ、休眠中もその知識を保持することができるということです。その変化に伴う細胞の変化。その環境は危険な場合があるため、食べ物を見つける場所を覚えることができることは、野生の粘菌にとって有用なスキルです. 「慣れることができるのはとても良いことです。そうしないと、行き詰まります」と Dussutour 氏は言いました。
より根本的には、この結果は、脳を持つ生物に限定されない認識の形態である「原始的認識」のようなものがあることも意味すると彼女は言いました.
科学者は、この種の認知を支えるメカニズムが何であるかを知りません。 Baluška は、多くのプロセスと分子が関与している可能性があり、それらは単純な生物間で異なる可能性があると考えています。粘菌の場合、その細胞骨格は、感覚情報を処理できるスマートで複雑なネットワークを形成している可能性があります。 「彼らはこの情報を原子核に供給します」と彼は言いました。
学習できるのは粘菌だけではありません。研究者は、植物などの他の非神経生物を調査して、それらが最も基本的な形の学習を表示できるかどうかを発見しています。たとえば、2014 年に西オーストラリア大学とイタリアのフィレンツェ大学のモニカ ガリアーノと彼女の同僚は、Mimosa pudica の実験に関する論文を発表し、メディアの熱狂を引き起こしました。 植物。 ミモザ 植物は、触れたり、物理的に乱されたりすることに敏感であることで有名です。防御メカニズムとして、繊細な葉をすぐに丸めます。ガリアーノは、植物を傷つけることなく、植物を約 30 cm 突然落とすメカニズムを構築しました。最初、植物は落とされたときに葉を引っ込めて丸めました。しかし、しばらくすると、植物は反応を停止しました。一見すると、防御反応が不要であることを「学習」したようです。
従来、脳や神経細胞を持たない単純な生物は、せいぜい単純な刺激応答行動しかできないと考えられていました。粘菌 Physarum polycephalum などの原生動物の行動に関する研究 (特に日本の北海道大学の中垣俊之氏の研究) は、これらの一見単純な生物がその環境内で複雑な意思決定と問題解決を行うことができることを示唆しています。たとえば、ナカガキと彼の同僚は、粘菌が迷路問題を解決し、人間が設計したものと同じくらい効率的な流通ネットワークを構築できることを示しました (1 つの有名な結果では、粘菌は東京の鉄道システムを再現しました)。
Chris Reid と彼の同僚であり、ニュージャージー工科大学の Swarm Lab を率いる Simon Garnier は、粘菌がどのようにそのすべての部分の間で情報を転送し、粘菌の能力を模倣する一種の集合体として機能するかの背後にあるメカニズムに取り組んでいます。ニューロンでいっぱいの脳。粘菌の各小さな部分は約 1 分間で収縮と拡張を繰り返しますが、収縮速度はその場所の環境の質に関係しています。魅力的な刺激は脈動を速くし、負の刺激は脈動を遅くします。リンクされたニューロンの発火率が互いに影響を与える方法と同じように、各パルス部分は隣接する部分のパルス周波数にも影響を与えます。 MRI 脳スキャンの粘菌バージョンに例えることができるコンピューター ビジョン技術と実験を使用して、研究者は粘菌がこのメカニズムを使用して巨大な単細胞体の周りに情報を転送し、相反する刺激の間で複雑な決定を下す方法を調べています。
脳を特別な状態に保つための戦い
しかし、一部の主流の生物学者や神経科学者は、この結果に批判的です。タフツ大学の生物学者であるマイケル・レビンは、「神経科学者は、脳の特殊性の『価値を下げる』ことに反対しています。 「脳は素晴らしいですが、脳がどこから来たのかを覚えておく必要があります。ニューロンは非神経細胞から進化したものであり、魔法のように出現したわけではありません。」
一部の生物学者はまた、「魔法のように聞こえるので、細胞が目標や記憶などを持つことができるという考えに反対している」と付け加えた.しかし、制御理論、サイバネティックス、人工知能、機械学習に関する過去 1 世紀ほどの研究は、機械システムが目標を持ち、意思決定を行うことができることを示していることを覚えておく必要があると彼は言いました。 「コンピュータ サイエンスは、情報処理が基板に依存しないことをずっと前に学びました」と Levin 氏は述べています。 「それはあなたが何からできているかではなく、どのように計算するかです。」
カリフォルニア大学サンディエゴ校統合神経科学研究所所長のジョン・スマイシーズによれば、すべては学習をどのように定義するかにかかっています。彼は、長期の休眠後も塩に慣れたままの粘菌に関するデュストゥールの実験が多くを示しているとは確信していません。 「『学習』は行動を意味するが、死ぬことはそうではない！」彼は言った.
オランダのフローニンゲン大学の認知科学者である Fred Kaijzer にとって、これらの興味深い行動が粘菌が学習できることを示しているかどうかという問題は、冥王星が惑星であるかどうかについての議論に似ています。経験的証拠のようにキャストされます。それでも彼は、「非神経生物が実際に学習できるという選択肢を否定する明確な科学的理由は見当たらない」と述べた.
バルシュカ氏によると、多くの研究者は、植物が記憶、学習、認知能力を持つことができるかどうかについても激しく意見を異にしています。植物は今でも「本格的な生物ではなく、ゾンビのようなオートマトン」と見なされている.
しかし、一般的な認識はゆっくりと変化しています。 「植物では、2005年に植物神経生物学のイニシアチブを開始しました。まだ主流には受け入れられていませんが、すでに大幅に変更したため、植物のシグナル伝達、コミュニケーション、行動などの用語は多かれ少なかれ受け入れられています」と彼は言いました.
この論争は、間違いなく、科学に関する戦争ではなく、言葉に関する戦争です。 「粘菌の知性について私が話したほとんどの神経科学者は、実験が有効であり、脳を持つ動物で行われた同じ実験と同様の機能的結果を示していることを非常に喜んで受け入れています.彼らが問題にしているように見えるのは、伝統的に心理学と神経科学のために予約され、学習、記憶、知性など、ほぼ普遍的に脳に関連する用語の使用です. 「粘菌の研究者は、粘菌で観察される機能的に同等の行動は、脳のある動物と同じ記述用語を使用すべきだと主張していますが、古典的な神経科学者は、学習と知性の定義そのものにはニューロンベースのアーキテクチャが必要であると主張しています」と彼は言いました.
その結果、原始認知研究の助成金を得るのはそれほど簡単ではないとバルシュカは述べた。 「最も重要な問題は、助成機関と資金提供団体がそのようなプロジェクトの提案をサポートし始めることです。これまで、主流の科学は、いくつかの例外はあるものの、この点に関してかなり消極的であり、これは本当に残念なことです。」
主流の認識を得るために、原始認知の研究者は幅広い刺激への慣れを実証する必要があり、最も重要なことは、慣れが達成される正確なメカニズムと、それが単一細胞間でどのように伝達されるかを決定することである. 「このメカニズムは、脳で観察されるメカニズムとはかなり異なるはずですが、機能的な結果の類似性により、比較は非常に興味深いものになります。」
この記事は Wired.com に転載されたものです。
