沒腦子的學習者

「學好知識需要動腦子」這是大家都知道的常識，對於人類來說，學習的物質基礎是大腦, 有一個健康的大腦，才能快速地掌握新知識和新技能。

不過對蝸牛、水母和海星的實驗表明，這些沒有大腦的生物，竟然也有學習能力。然而，這也算不上什麼稀奇事，因為這些動物雖說沒有大腦，但體內還是有神經細胞的，簡單的神經元構造同樣賦予了它們基本的學習能力。

真正讓人稱奇的是地球上大多數生命既沒有大腦，也沒有神經細胞，它們竟然具備學習記憶功能！

會學習的單細胞生物

黏菌，是一種單細胞生物，它們介於動物和真菌之間，喜愛生活在陰暗潮濕的森林地區。當食物充足時，黏菌會以單一細胞的形式存在，但大多數情況下，許多原本分開生活的黏菌會聚集在一起，形成一團超級細胞。

這一團超級細胞是由上千個細胞核組成，細胞核共享同一個細胞壁，其體表面積最大的能達到幾平方米。黏菌就靠著這種抱團作戰形式，自由地改變形狀，以及像動物一樣四處爬動覓食，當然它們的速度不會太快，一小時最快的速度是移動了4厘米。

2016年，法國圖盧茲大學的研究者在她的實驗室的培養皿里培育了一些黏菌，並為它們準備了它們最愛的食物—燕麥片。不過，為了吃到燕麥片，黏菌需要爬過一座小橋。

隨後，研究者在這座小橋上灑上了一點咖啡因，其濃度雖然沒有高到能夠傷害黏菌，也足以阻止它們向食物前進。就像研究者預測的，由於中途殺出了這個程咬金，黏菌在越過小橋前，停頓了數小時，隨後，在美食的誘惑下，它們還是繼續前進了。

隨著時間的推移，在下次實驗中，黏菌開始以更快地速度跨過橋，幾天後，黏菌已經完全忽視了咖啡因，在跨橋前不再猶豫。即便有一段時間黏菌們不再接觸咖啡因，它們依舊不會再害怕這種化學物質，這就說明黏菌知道從以往的經驗中汲取教訓，調整自己的行為，它們已經學會了忽略不相關的刺激物，專註於重要的信息。

在心理學上，這種行為是人類的一種重要的學習形式—習慣。此前，研究者們認為只有高等動物和人類才具有這一技能。沒有神經元的黏菌是如何做到的呢？

記憶藏在基因中

一種猜測是記憶實際上儲存在基因里。

一個多世紀以來，神經學科的主流觀點是神經元相接的地方—突觸是大腦的信息交換和儲存的場所，不過，新的研究顛覆了這一結果。

美國加利福利亞大學洛杉磯分校的研究者們做了一個實驗，他們事先對海兔進行反覆電刺激，使其形成記憶，並形成新突觸。隨後，研究者用藥物清除了這一突觸，毫不奇怪，海兔的記憶消失了。但隨後，當研究者們再次用微小的電極探針觸及海兔的神經元時（這一神經元與之前的電擊記憶相關），突觸又長出來了，海兔的記憶又恢復了。

還有一些實驗表明，被斬首的渦蟲在長出新的大腦後，記憶仍然存在。研究者據此認為，記憶實際上是儲存在基因中，而不是突觸中，而且這一記憶是由黏在DNA上的分子改變了基因的表達方式而形成的。比如把一種叫做甲基團的化學物質像帽子似地戴在我們DNA上，就會使某些基因失去活性。

再拿黏菌來說，當黏菌在森林中爬行時，會依靠其表面的化學受體來感知路徑上的物質。如果它聞到了一些有吸引力的東西，比如食物，它會迅速地蠕動，向食物源靠近。而毒素會引起相反的反應，導致黏霉減慢它的節律性的蠕動，以避免潛在的傷害。在多次咖啡因刺激過後，黏菌的DNA甲基化會改變受體的基因表達，提高受體對咖啡因的忍耐值，導致黏菌再次遇到這樣的刺激後不會發生行為反應。所以黏菌並不需要一個神經元系統來學習。

實際上黏菌還有一項非凡本領—「傳授經驗」。在第二個實驗中，研究者教會一組黏菌跨越撒有無害的鹽的橋樑，黏菌很快就適應了有鹽的橋樑。同時，讓另外一組黏菌跨越沒有鹽的橋樑，它們被稱之為無經驗組。隨後，研究者將有經驗組、無經驗組的黏菌融合在一起，讓它們跨越撒了鹽的橋樑。令人驚訝的是，混合組黏菌和有經驗組的移動速度一樣快。三個小時後，當研究者又拆開混合組，無經驗組的黏菌仍然不再畏懼鹽，就好像有經驗組掌握的鹽無害的知識已經傳授給它們一樣。

想像一下，你可能會暫時與別人融合，獲得該人的知識，分開後再次成為獨立的個體，你已經獲得了這一知識。這是多麼難以想像的事情，但是在黏菌那兒真的發生了！

一些人猜測在黏菌融合期間，兩組的基因的表達方式發生了交換，導致無經驗組的黏菌有了學習能力。但黏菌們沒有像人類那樣用來整合和調節身體行為的中樞神經系統，它們又是如何讓各個細胞的行為表現出一致性的呢？這一點研究者們目前還沒法解釋。

含羞草的啟示

實際上，不只是黏菌會學習，就連植物也會學習。幾年前，研究者做了一個跟含羞草有關的實驗。他們反覆地把一盆含羞草從15厘米高的地方，扔到軟著陸墊上，這樣的高度並不會傷害到含羞草。

剛開始當含羞草受到干擾時，它們會恐懼地捲曲葉子。但經歷了大約五次類似的事件後，它們似乎「知道」自己不會受傷，停止捲曲葉子，學會忽略這種刺激。即使實驗停止了一個月後，類似的實驗出現時，它們也記住了教訓，沒有做出任何回應。

這說明含羞草也有學習能力。

隨後，研究者想知道植物是否能夠將刺激與獎勵聯繫在一起，就像巴甫洛夫的狗學會把食物和鈴聲聯繫起來一樣。

由於植物會自發地向光生長，所以為了訓練豌豆植物幼苗，研究者將一些豌豆植物放在黑暗中，然後讓一束光從一個方向照射它們，而電扇會從另外一個方向吹它們。另外一些豌豆植物幼苗則會在同一邊被光以及風刺激。

訓練結束後，研究者移走光源，只留下電扇。研究結果表明，那些習慣了同一邊感受光線和風的植物，生長方向會朝向風的那一邊。而那些在不同方向感受風和光線的植物，生長方向會慢慢遠離風吹的那一邊。植物們似乎學會了將風與光亮聯繫起來。

那麼，植物們是如何做到的呢？

動物之所以能夠將不同的事物聯繫在一起，是因為它們的神經細胞內有一個叫做NMDA受體的分子，這一受體幫助被同時刺激的神經元之間建立聯繫。所以在植物里，應該也有相似的分子機制，能夠讓植物記住一些經驗。

對人類的益處

雖然現在科學家們還沒法完全弄懂沒有大腦的生物究竟是如何學習的，但也受到了不少啟發。

比如，有許多對人類來說非常致命的單細胞生物，它們屬於和黏菌一樣的群體，很有可能也具備簡單的學習能力，弄懂這些病原體是如何學習的，或許有利於我們找到新的策略對付它們。

另外，科學家們也可以改善人工智慧的神經網路。現在的神經網路模型是基於赫布理論（描述突觸如何可塑的基本原理）構建的，這一理論經常會被總結為「一起激發的神經元連在一起」，也就是當一些神經元同時被激活時，突觸會變得更強。但黏菌的學習能力啟示著我們，也許在構建人工智慧神經網路時，影響基因表達方式的小分子的作用也應該考慮進來。

另外一個更有意思的啟發是，如果黏菌們通過融合，可以互相學習，動物們會出現類似的情況嗎？

早在半個多世紀前，美國密歇根大學的研究者詹姆斯·麥康諾就提出了這一猜想，他認為會。他訓練了一批渦蟲，通過反覆電擊它們，讓它們害怕光照，一感受到光照就抽搐。然後他把它們磨碎，餵給那些沒有受過訓練的渦蟲吃。隨後，研究結果表明當燈亮的時候，這些沒有受過訓練的渦蟲也會抽搐。

麥康諾相信這是因為被訓練過的渦蟲的記憶是儲存在小分子—核糖核酸（RNA）里，這一分子隨後進入了未受訓練的渦蟲體內，使其具備記憶能力。不幸的是，現在這個實驗無法被複制。

然而，今天的科學家們已經認可小分子RNA可以調控基因表達，調動記憶，它們也是記憶遺傳的關鍵。美國加州大學的研究者格蘭茨曼認為如果轉移一個動物大腦的RNA到另外一個動物的大腦中，原則上應該也會轉移部分記憶。

如果真是這樣的話，也許會大大改變我們對記憶的定義，並且終有一天，我們將有可能實現記憶移植。

小貼士

「沒腦子」的生物顯絕技

一些生物只有很小的腦子，或者乾脆沒有大腦，但依舊展示出了驚人技能。

黏菌:0神經元

研究者曾在實驗桌上擺上了燕麥片，然後將黏菌放在一片中心燕麥片上，看黏菌如何覓食。黏菌以分支結構扇形展開，每經過一個地方發現食物時，它的黏液就會形成一條通道，然後繼續覓食。最終，黏菌建成了一個錯綜複雜的連接了所有燕麥片的通道系統，通過這一通道系統，黏菌源源不斷地獲取燕麥片中的營養。

這一點看起來沒什麼了不起，但研究者不是隨意擺放這些燕麥片的，中間最大的一塊燕麥片實際上代表著東京，其他的燕麥片都是按照東京周圍的城市擺放的。今天，東京鐵路系統是世界上最高效、布局最合理的系統之一，耗費了人類工程師們上百年的精力才建造而成，但黏菌只用26個小時，就複製出了東京交通網路，而且更優化。現在研究者們正在利用黏菌，為世界各國的首都設計最優城市交通網路。

箱型水母: 約1.3萬個神經元

箱型水母，是目前已知演化程度最高的水母。它們有24個眼睛，主要用其中4個眼睛導航，這些眼睛能夠360度旋轉，並能透過光線亮度的差異，感知水中物體的顏色和形狀。

淡水蝸牛: 2萬個神經元

僅僅使用兩個神經元，淡水蝸牛就能決定它是否進食。第一種神經元傳達相關信息，如是否發現食物，第二種神經元，讓蝸牛知道自己是否餓了。只有兩個神經元細胞同時反饋信息，才能使蝸牛在合適的時間內進食。

果蠅: 25萬個神經元

比起不同的氣味，果蠅會花更長的時間辨別非常相似的氣味，研究者認為它們這是在收集信息，以做出更好的選擇，是典型的 「三思而後行」。

大黃蜂: 100萬個神經元

研究者曾準備了一個帶有細繩的圓盤，圓盤上裝有大黃蜂喜愛吸食的糖水，但圓盤被透明蓋子罩住了，如果大黃蜂想吸食糖水，就必須拉動繩子，把圓盤從蓋子中拉出來。研究表明，60%的大黃蜂能通過觀看其他大黃蜂如何拉繩取食糖水，學會這種方法。在另一個實驗中，大黃蜂還可以學會如何將一個小球移動到一個特定的位置上。