Долгое время биологи спорили, могут ли одноклеточные учиться на собственном опыте. Самую простую форму обучения, которую называют привыканием, находили у некоторых растений, простейших и животных.
Привыкание — это когда организм прекращает реагировать на повторяющийся и безопасный раздражитель. Образный пример: человек перестает замечать тиканье часов, а амеба перестает вздрагивать от легкого толчка.
Гораздо сложнее другая форма обучения — ассоциативная. Это когда организм связывает два события и начинает реагировать на один из стимулов как на предвестник другого, то есть понимает, что одно последует за другим.
Самый известный пример описал русский физиолог Иван Павлов. Во время изучения пищеварения у собак он обнаружил, что животные могут связывать нейтральный сигнал (например звук колокольчика) с появлением пищи. Павлов многократно подавал звук перед кормлением, и со временем животные начинали выделять слюну уже при одном звуке, реагируя на него как на сигнал скорого появления пищи. Ученый показал, что собаки могут обучаться, связывая стимулы.
Долгое время считалось, что для столь сложной реакции нужна хотя бы примитивная нервная система, поэтому одноклеточные вряд ли способны на такое «обучение».
Команда американских биологов под руководством Сэма Гершмана (Sam Gershman) из Гарвардского университета решила проверить, действительно ли их коллеги правы и одноклеточные не способны к ассоциативному обучению.
Исследователи провели эксперимент с инфузорией Stentor coeruleus, обитающей в пресных водоемах. Организм имеет трубкообразную форму, а длина его тела не превышает миллиметра. На одном конце у него находится своего рода «якорь», с помощью которого существо прикрепляется к поверхности. На другом — ротовой аппарат, трубчатая структура с ресничками, которые постоянно двигаются. Они создают поток воды внутрь трубки и захватывают частички пищи, которую клетка фильтрует и поедает.
Но у этой идиллии есть обратная сторона: если Stentor coeruleus потревожить, у нее срабатывает защитный рефлекс. Вдоль клетки проходят специальные сократительные волокна — мионемы. Это как система быстрых тросов. По команде они мгновенно укорачиваются, и вся клетка резко сжимается в плотный шарик.
Ротовой аппарат, который был раскрыт на конце «трубки», втягивается и закрывается. Фильтрация воды прекращается. Пока инфузория находится в сжатом состоянии, она не может ни захватывать пищу, ни создавать ток воды. Она буквально «закрывает ставни» и прячется.
По словам Гершмана, для Stentor coeruleus важно «не дергаться по пустякам». Каждое неоправданное сокращение — потраченная впустую энергия. Инфузория реагирует на опасность только тогда, когда это действительно нужно. Именно поэтому способность отличать реальную угрозу от ложной тревоги дает Stentor coeruleus огромное преимущество в выживании.
Гершман и его коллеги провели эксперимент по всем канонам павловской школы. В первой его части ученые наносили сильные удары по дну чашек Петри с культурами из нескольких десятков инфузорий. Первые же удары заставили большинство Stentor coeruleus мгновенно сжиматься в шарик.
Стук повторяли каждые 45 секунд — примерно столько времени требуется клетки, чтобы снова расправиться после сокращения. Всего исследователи нанесли 60 таких ударов. Изначально большинство клеток резко сжималось, однако постепенно реакция слабела. Все меньше инфузорий отвечали на сигнал — они привыкали к раздражителю. Так проявилось классическое привыкание.
Затем эксперимент усложнили. Сперва исследователи наносили слабый удар, а ровно через секунду сильный. Такие пары сигналов повторяли каждые 45 секунд. Ученых интересовало: научатся ли инфузории реагировать на слабый предвестник?
На протяжении первых 10 попыток исследователи фиксировали, сколько клеток сжимается именно на слабый удар — до того, как прозвучит сильный. Сначала число реагирующих на этот удар организмов резко пошло вверх. Stentor coeruleus словно поняли: если раздался слабый стук, через секунду последует настоящая встряска. Однако по мере повторения парных сигналов вероятность сокращений снова снижалась: инфузории постепенно привыкали и переставали реагировать на удар.
Проверить, что это не случайная реакция, а именно обучение, помог контрольный тест. Ученые подали инфузориям только слабый сигнал, без последующего сильного удара. В этом случае клетки не проявили реакции — сжатий практически не было.
Это ключевое отличие доказывает: в основной части эксперимента слабый удар стал для клеток не просто раздражителем, а именно предупреждением. Инфузории связывали его с неминуемым сильным ударом, и сжимались в ожидании опасности. Когда же «подкрепления» не следовало (подавали один слабый сигнал), клетки игнорировали его, подтверждая, что в первом случае сработала именно ассоциативная связь. Иными словами, Stentor coeruleus смогли установить связь между двумя событиями — а это и есть склонность к ассоциативному обучению.
Биологи также проверили, как влияет время между сигналами на «обучение». Оказалось, что эффективность зависит от интервала между слабым и сильным ударами.
Когда между ударами проходило слишком много времени, клетки успевали «забыть» связь между ними, и «обучение» проявлялось слабее. Если сигналы шли слишком часто, клетки не успевали восстанавливаться после предыдущего удара, и реакция тоже снижалась. То есть скорость и сила реакции зависят от интервалов: частота повторения сигналов напрямую влияет на то, насколько хорошо инфузория «учится» предугадывать сильный удар после слабого.
Если клетка способна к сложному обучению, значит, у нее где-то должна храниться память. Как именно это работает у Stentor coeruleus — пока загадка.
Гершман выдвинул гипотезу: в мембране инфузории есть рецепторы, которые реагируют на прикосновение. Когда они срабатывают, в клетку поступают ионы кальция, меняется внутреннее напряжение, и клетка сжимается. При повторяющихся сигналах часть рецепторов изменяет работу и превращается в «молекулярный переключатель». Он может заблокировать сигнал тревоги, если внутренняя биохимическая система клетки «решит», что опасность не настоящая.
Открытие гарвардских биологов указывает на древнее происхождение ассоциативного обучения. Получается, что сложные формы поведения могли появиться задолго до того, как сформировались первые многоклеточные организмы с зачатками нервной системы.
Авторы исследования полагают, что их выводы заставят по-новому взглянуть на работу мозга человека. Возможно, древние молекулярные механизмы, доставшиеся людям от одноклеточных предков, до сих пор действуют внутри нейронов, позволяя им «учиться» на входящих сигналах даже без изменений связей между клетками — на уровне самых простых клеточных процессов, которые ученые только начинают понимать.
Выводы исследователей представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.