無腦的“學習者”

楊宇琴

對人類和很多動物來說，記憶和學習與大腦功能和一系列復雜的神經活動有關。而越來越多的研究結果表明，一些結構較為簡單的生物雖然沒有大腦卻也能學習。箱形水母、海兔和海星都是無腦學習的典型例子。也許這并不算什么大新聞，畢竟，這些生物也并不是沒有神經細胞，只是它們的神經元在體內的分布較為分散，并不聚集成束。嚴格來講，是神經元使它們擁有學習的能力。

那如果連神經元也沒有呢？地球上大部分生物都沒有神經元，但它們卻可以隨意做出復雜的行為。以前，科學家們將這一現象歸結為生物歷經數代進化出的先天反應，但現在看來，這些不起眼的非神經生物似乎真的可以學習。這讓科學家感到不可思議。一些科學家正努力探尋它們的學習機制，而另一些科學家則已經開始研究如何利用這種能力，來為對抗疾病和設計智能機器提供新的思路。

神奇的黏菌

黏菌是一種不尋常的生物，它既不是植物、動物，也不是細菌或真菌。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階段的表現，在這個階段，大量有自己獨特DNA的單個細胞混合和融合在一起。由此產生的黃色斑點可以長到幾平方米大，而整個斑點只是一個內含成千上萬個細胞核的巨大的細胞。

沿著枯木“爬行”的黏菌。

在自然界中，當黏菌沿著森林的地面爬行時，它依靠分布于其表面的化學感受器來感知道路上的物質。如果黏菌感受到任何有吸引力的東西，如食物，它就會迅速有規律地跳動，使自己接近那個東西。如果黏菌遇到毒素等有害物質，則產生相反的反應，黏菌會減慢其規律的跳動，收縮身體，遠離潛在的傷害。

黏菌行動緩慢，最高速度只能達到每小時4厘米。但黏菌的可移動性為研究人員在實驗中帶來許多創意。2016年，法國科學家迪敘圖爾及其團隊用黏菌做了一系列實驗。他們準備了黏菌愛“吃”的燕麥，并將燕麥有策略地放置在黏菌無法觸及的地方，僅留一座“橋梁”可容黏菌爬過。然后，他們在橋上放置了咖啡因等黏菌不喜歡的物質。盡管這些物質的濃度不至于對黏菌造成傷害，但也足以延緩黏菌通過的速度。最后，黏菌還是屈服于食物的誘惑，通過了橋梁。

隨著時間流逝，黏菌通過橋梁的速度加快。幾天之后，黏菌已經能完全忽略咖啡因等物質。也就是說，黏菌在逐漸適應這些物質。這是一種簡單的學習方式，即對無關線索的反應會隨著時間減弱。這令研究人員很驚訝，因為黏菌并沒有神經，而在此之前，所有學者都認為學習的能力依賴于神經系統。

黏菌的學習機制

如果不是神經系統使得黏菌能夠學習，那又是什么呢？科學家推測，黏菌的經歷改變了它們的基因表達。細胞核內有些分子可以結合到DNA上，以激活或停止某種基因的表達。它們不會改寫基因序列，但可以暫時改變它的讀取方式。這一過程被稱為表觀遺傳調控，它滿足了對記憶和學習的最基本的要求。有科學家認為，這就是黏菌學習的方式。

類似的學習機制也存在于海兔中。海兔又稱海蛞蝓，它沒有大腦，只有少量神經細胞。根據神經生物學的相關理論，當動物學會某件東西時，記憶就會被儲存在相鄰神經元之間的突觸中。在一項研究中，研究人員對海兔進行了反復刺激，使它記住了這種刺激。然后，他們打斷了海蛞蝓在訓練中形成的突觸，結果不出所料，這些記憶消失了。然而，當用電流刺激神經元時，神經突觸會重新生長，記憶也會恢復。研究人員認為，這些記憶會以表觀遺傳變化的形式儲存在神經元的DNA中。科學家由此推測，其他類型的細胞也可能發生類似的變化，這令沒有神經系統的生物也可以學習。

海兔，一種無殼的軟體動物，因具有數量少而體積大的神經元而常常被用于神經生物學研究。

通過訓練適應了鹽的黏菌（H）很快通過了含鹽的橋，獲得了食物。而不具適應性的黏菌（N）則長時間被阻擋在橋邊。但經過充分融合后，所有黏菌都學會了快速通過鹽橋。

進一步的研究發現，黏菌不僅可以學習，它們還可以互相傳授知識。在實驗中，研究人員將已經對鹽產生了適應性的黏菌與未經訓練的黏菌融合在一起。結果，混合黏菌毫不猶豫地迅速通過了一座含鹽的橋。三個小時后，他們又將混合的兩部分分開。原本未經訓練的那部分黏菌卻在通過橋梁時能繼續忽略鹽的威懾，好像之前對適應鹽的那部分黏菌通過某種方式，將它學習到的知識傳遞給了“同伴”。對于這個現象的一種可能的解釋是：黏菌在融合過程中，交換了表觀遺傳信息。

植物也會學習

含羞草在受到某些外界刺激（如觸碰）時，會迅速合上葉片。

除了像黏菌這樣的單細胞生物，沒有神經元的多細胞生物似乎也有學習能力。而這其中的生理機制就更難解釋了。因為它們有更多的細胞，而且這些細胞還必須相互協調，共同完成某種活動。當沒有神經系統來整合和協調時，它們是怎樣學習的呢？

澳大利亞一個研究團隊做過這樣一個實驗：他們反復將一些含羞草從15厘米的高度扔向地板上的軟墊。剛開始，含羞草在墜落時，會“驚恐”地合上葉片。但經過約5次安然無恙的落地之后，含羞草就不再合起葉片，仿佛明白了這種墜落不會給它們造成傷害。甚至在靜養一個月后，再一次的墜落實驗也不能引起任何反應。含羞草“記住”了之前的經驗。

豌豆苗實驗模型：用Y型管套住小苗，一組的光源和風扇在同一方向，另一組則在相反方向。

觀察到植物的習慣化現象后，他們想更進一步。既然巴甫洛夫通過長期訓練狗，可以使狗聽見鈴聲（無關刺激）就想到食物（獎勵）。那么，能否讓植物也學會把一種獎勵和無關刺激聯系到一起呢？

科學家們對豌豆幼苗進行了訓練。眾所周知，植物具有向光性，幼苗的向光生長尤其明顯。研究人員把豌豆苗放在黑暗中，然后從一個特定方向照入光線（獎勵），并在相反的方向放置風扇吹風（無關刺激）。而另一些豌豆苗，則設置為風和光線從同一方向進入。訓練結束后，他們把光源移除，僅使用風扇對所有的植物吹風。結果發現，那些適應于光和風來自同一方向的豌豆苗逐漸向風扇方向生長，而那些適應于光和風來自不同方向的豌豆苗逐漸遠離放置風扇的方向。這些植物似乎在尋找它們的獎勵。它們已經學會將風和光聯系起來。

一些科學家對這一振奮人心的結果略表懷疑。有學者認為，這個關于植物習慣化的初步理論缺乏有力的支持證據，應該在在初步證據的基礎上建立理論之前，把支撐材料再準備豐富一些。另外，在動物的聯想學習實驗中，大約90%的受試動物會做出反應，而植物實驗中只有60%的豌豆苗做出反應。還有一個質疑的重點則在于學習的定義。根據神經生物學相關理論，學習和記憶都是頭腦中進行的心理過程，而這一過程集中發生在大腦中。按照這一定義，植物是無法學習的。

無腦生物的啟示

當然，不是所有科學家都贊同這種嚴格的定義，也有些學者對植物學習的機制頗感興趣。動物神經細胞中有一種叫做NNDA受體的分子，這種受體可加強在同一時間被反復刺激的神經元之間的聯系，從而使動物將同時發生的事件聯系到一起。有科學家推測，在植物中應該也有類似的“關聯分子”?？茖W家認為，一定有某種系統能讓這些記憶被記錄下來，并正確地儲存在生物體中，當植物受到相應刺激時就會觸發記憶。

這種機制可能很難理解，不過只是意識到無腦的生物體也有學習能力，就已經可能帶給人類一些實際的回報了。有很多單細胞生物對人類非常有害，例如導致瘧疾的瘧原蟲，它和黏菌都是原生生物，以前從來沒有人想過這類生物是可以學習的?？茖W家認為，了解病原體是否能夠學習以及如何學習，有助于研究出防治它們的新策略。

了解表觀遺傳學習機制也可以幫助計算機科學家改進人工神經網絡。人工神經網絡是一種模仿動物神經網絡行為進行信息處理的算法數學模型，人工智能的算法基本都是基于這一模型建立的。目前的神經網絡模型基于赫布的學習理論——當兩側的神經元同時激活時，突觸就會變得更強。換句話說，那些同時被激活的神經元會連接在一起。有科學家認為，將表觀遺傳記憶的概念也融入人工神經網絡模型，將會使這種模型更豐富。

記憶轉移

而黏菌相互學習的現象還讓一些科學家想到一種關于“記憶轉移”的理論。如果一個黏菌能通過與另一個黏菌融合來傳授知識，那在動物身上會發生類似的事情嗎？半個多世紀前，美國科學家麥康奈爾的實驗表明，動物身上也可能會有類似的現象。他對淡水扁蟲進行了訓練，通過反復在電刺激的同時予以光刺激，來訓練扁蟲對光產生恐懼。然后，他把它們磨碎，喂給沒有受過訓練的扁蟲。之后，每當有燈光閃過，這些未受訓練的扁蟲就會抽搐。

麥康奈爾認為，那些受過訓練的扁蟲的記憶被編碼成小分子，未受訓練的扁蟲將這些小分子吞下后擁有了同樣的記憶。他的實驗不具可重復性，因此這一結論并不太可信。但是，在當今的許多科學家都認同一種相似的觀點：小RNA（一類表觀遺傳分子）可以激活記憶。一位神經生物學家說：“通過將RNA從一種動物的大腦轉移到另一種動物的大腦來實現轉移某些方面的記憶，原則上說，這不是不可能的?！倍绻洃涋D移真能實現，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？

也有一些科學家對記憶轉移持更謹慎的態度，但不完全否定生物體間可以傳遞某些適應性或敏感性的可能。正如一位學者所言，當我們對自然界的了解越多，就越不會輕易否定某種可能性的存在，因為大自然中有太多稀奇古怪的事情了。

不需要大腦

人類全身有約860億個神經元，其中，大腦皮層的神經元數量就達到了160億個。而有的生物只擁有很小的腦或根本沒有大腦，卻具有驚人的能力。

黏菌：沒有神經元

當研究者將黏菌的食物按照模擬東京周邊城市布局放置時，黏菌會將自己的菌體擴散形成一個網絡，這個網絡與經過精心規劃的日本東京鐵路系統非常相似。

日本東京及其周圍的鐵路網絡（a）和黏黼體網絡（b）。

經過訓練，大黃蜂能把小球搬到指定位置（黃色圓圈內）。

豌豆苗：沒有神經元

研究人員提供給豌豆苗兩種生長環境，一種營養供給穩定，另一種營養非常豐富但可能之后會變得貧瘠。當豌豆苗本身養料充足時，它們會更傾向選擇前者;但當豌豆苗本身養料不足時，則它們更傾向于賭一把，為更多潛在的獎勵冒著風險選擇后者。

箱形水母：約13萬個神經元

箱形水母可以使用它們24只眼睛里的其中4只來透過水面觀察樹冠，以指引自己穿過紅樹林沼澤。

箱型水母

淡水蝸牛：約2萬個神經元

一個僅由兩條神經元組成的回路決定著淡水蝸牛是否進食。控制神經元感受食物的存在，動力神經元向大腦傳遞饑餓感。

果蠅：約2.5萬個神經元

果蠅在分辨非常相似的氣味時花費的時間比分辨差別很大的氣味時花費的時間更長，這說明它們是在思考后而不是沖動的做出判斷。

大黃蜂：約100萬個神經元

在一項研究中，研究人員用一個特殊裝置訓練大黃蜂，讓它們學會通過拉動一條繩子吃到糖。然后一批未經訓練的大黃蜂也被放入這個裝置，這些大黃蜂可以通過觀察被訓練過的大黃蜂，學會拉動繩子。通過訓練，它們還可以將一個小球搬運到指定目標上。

聯系的力量

巴甫洛夫的狗學會了把鈴聲和即將到來的食物聯系起來。這是一種簡單的學習方式，但它也許可以造成某些看似復雜的動物行為。

以黑猩猩用石頭做工具砸開堅果為例。這種精密的行為被認為是目前觀察到野生動物界最復雜的行為之一。而黑猩猩可能是通過一種被稱為“反向推理”的過程，將一系列小步驟聯系在一起，從而學會用石頭砸開堅果。首先，黑猩猩可能從它媽媽那里偷來帶殼的堅果，并將堅果與美味獎勵聯系在一起：之后，當它用石頭敲打堅果時，將這一行為與美味獎勵聯系在了一起;之后，手握石頭又變成一種獎勵……如此重復，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高級技能。

這種方式對簡單生物體影響深遠，甚至一些植物也可以通過聯系來學習。那么，原則上來說，即使一個神經元也沒有，它們也可以通過反向推理學會更復雜的行為。