Микроскопический житель пруда, имеющий форму, напоминающую трубку, проявил признаки условного рефлекса. У этого существа отсутствуют мозг и нервная система. Тем не менее, исследование выявило, что одноклеточный организм способен устанавливать связи между событиями и предвидеть последовательность их развития. Подобное поведение позволяет предположить, что ассоциативное обучение могло сформироваться задолго до возникновения нервной системы у многоклеточных организмов.
Долгое время биологи обсуждали вопрос о способности одноклеточных организмов приобретать опыт. Простейшая форма обучения, именуемая привыканием, были обнаружены у некоторых видов растений, простейших организмов и животных.
Привыкание представляет собой процесс, в ходе которого организм перестает реагировать на регулярно повторяющиеся и безвредные стимулы. Ярким примером может служить ситуация, когда человек не обращает внимания на звук тикающих часов, а амеба больше не проявляет реакции на незначительное механическое воздействие.
Значительно более сложной является другая форма обучения — ассоциативная. Это явление характеризуется тем, что организм устанавливает связь между двумя событиями и начинает реагировать на один из стимулов, воспринимая его как сигнал о приближении другого, то есть предвидит последовательность событий.
Наиболее распространенный случай был задокументирован русским физиологом Иван Павлов. Во время изучения пищеварения у собак он обнаружил, животные способны ассоциировать нейтральные сигналы, такие как звук колокольчика, с получением пищи. В ходе многократных экспериментов Павлов подавал звук непосредственно перед кормлением, и вскоре животные стали выделять слюну только при звуке, воспринимая его как предвестник еды. Таким образом, ученый продемонстрировал возможность обучения собак посредством установления связи между различными стимулами.
Ранее существовало мнение, что для осуществления подобной реакции необходима элементарная нервная система, поэтому предполагалось, что одноклеточные не могут подвергаться такому «обучению».
Команда американских биологов во главе с Сэмом Гершманом ( Sam Gershman) группа ученых из Гарвардского университета провела исследование, чтобы выяснить, соответствуют ли утверждения коллег о неспособности одноклеточных организмов к ассоциативному обучению действительности.
Исследователи провели эксперимент с инфузорией Stentor coeruleus, это микроскопический организм, живущий в пресной воде. Тело его имеет форму цилиндра и не превышает миллиметра в длину. На одном из концов находится структура, выполняющая функцию «якоря» и позволяющая существу крепиться к различным поверхностям. На другом же располагается ротовой аппарат – трубчатая структура, покрытая ресничками, непрерывно совершающими колебательные движения. Эти движения формируют поток воды, направляющий частицы пищи внутрь, где клетка их фильтрует и переваривает.
Но в этой картине есть и негативные аспекты: 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.
Открывшийся ротовой аппарат, расположенный на конце «трубки», втягивается и закрывается. Процесс фильтрации воды останавливается. В сжатом состоянии инфузория не способна захватывать продовольствие и создавать поток воды. Она, как бы, «закрывает крышку» и укрывается.
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 соавторы провели исследование, строго придерживаясь принципов, разработанных Павловым. На начальном этапе эксперимента ученые подвергали чашки Петри, содержащие культуры из нескольких десятков инфузорий, воздействию сильных ударов по дну. Уже первые удары вызвали реакцию у большинства Stentor coeruleus мгновенно сжиматься в шарик.
Ритмичные удары наносились с интервалом в 45 секунд, что соответствует времени, необходимому клетке для восстановления после сокращения. В ходе эксперимента ученые совершили 60 таких воздействий. Вначале клетки демонстрировали резкое сокращение, но со временем их реакция ослабевала. Все меньшее количество инфузорий реагировало на стимул — они адаптировались к раздражителю, что является проявлением классического привыкания.
После этого в эксперимент внесли изменения. Изначально исследователи применяли слабый раздражитель, а через одну секунду – сильный. Подобные комбинации сигналов повторялись с интервалом в 45 секунд. Задача ученых заключалась в том, чтобы выяснить, смогут ли инфузории адаптироваться и реагировать на слабый предварительный сигнал?
В ходе первых десяти попыток исследователи определяли, какое количество клеток реагирует на слабый удар, предшествующий сильному. Изначально наблюдался резкий рост числа клеток, реагирующих на этот предварительный удар. 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.
Чтобы убедиться, что наблюдаемая реакция является результатом обучения, а не случайным явлением, был проведен контрольный тест. Исследователи воздействовали на инфузорий слабым сигналом, исключив последующий сильный удар. В ходе такого эксперимента клетки не демонстрировали реакции – сжатий было зафиксировано незначительное количество.
Это важное различие демонстрирует: в ходе основного этапа эксперимента слабый импульс для клеток оказался не просто стимулом, а своего рода предзнаменованием. Инфузории ассоциировали его с последующим сильным ударом и сворачивались в предвкушении угрозы. Если же за «предзнаменованием» не последует усиление (подавался только один слабый сигнал), клетки переставали на него реагировать, что подтверждает формирование ассоциативной связи в первом случае. Другими словами, Stentor coeruleus смогли установить связь между двумя событиями — а это и есть склонность к ассоциативному обучению.
Исследователи в области биологии также изучили, как временной промежуток между сигналами сказывается на процессе «обучения». Результаты показали, что результативность этого процесса определяется интервалом между слабым и сильным стимулами.
Если интервалы между стимулами были слишком продолжительными, клетки теряли способность поддерживать связь, что приводило к снижению эффективности «обучения». Слишком частые сигналы не позволяли клеткам восстановиться после предыдущего воздействия, что также уменьшало выраженность реакции. Таким образом, скорость и интенсивность реакции определяются интервалами: частота повторения сигналов непосредственно влияет на способность инфузории предвидеть сильный удар после слабого.
Если клетка обладает потенциалом для сложного обучения, то где-то в ней должна сохраняться память. Механизм реализации этого процесса пока остается не до конца понятным Stentor coeruleus — пока загадка.
По мнению Гершмана, мембрана инфузории содержит рецепторы, чувствительные к механическому воздействию. При их активации в клетку проникают ионы кальция, что приводит к изменению внутреннего напряжения и сокращению клетки. При многократном поступлении сигналов некоторые рецепторы модифицируются и начинают функционировать как «молекулярный переключатель». Этот переключатель способен подавить сигнал, если внутренняя биохимическая система клетки определит, что угроза отсутствует.
Согласно исследованию, проведенному биологами из Гарварда, ассоциативное обучение имеет очень древние корни. Это предполагает, что сложные поведенческие модели могли возникнуть задолго до появления многоклеточных организмов, обладающих примитивными нервными системами.
Авторы исследования считают, что их результаты изменят представления о функционировании человеческого мозга. Предполагается, что древние молекулярные механизмы, унаследованные от одноклеточных предков, продолжают оказывать влияние на работу нейронов, позволяя им адаптироваться к поступающим сигналам, даже не изменяя связи между клетками. Эти базовые клеточные процессы, лежащие в основе обучения, только сейчас начинают становиться понятными ученым.
Выводы исследователей представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.