脑机启侦 | 单个细胞表现出类似学习的行为（11.30）

一项新的研究表明，单个细胞可能表现出类似学习的行为，而这种行为以前被认为仅存在于具有神经系统的生物体中。研究人员使用计算模型展示了细胞内的生化电路如何适应重复刺激，从而模拟习惯化——一种简单的学习形式。负反馈环和非相干前馈环这两种分子电路被确定为关键机制。

这一发现弥合了神经科学和认知科学关于习惯化的争论，同时为理解诸如癌细胞对化疗产生抗性等现象提供了见解。这些发现强调了单个细胞作为研究学习和记忆最基本层面模型的潜力。该研究为未来通过实验工作验证这些计算预测奠定了基础。

研究介绍

根据巴塞罗那基因组调控中心（CRG）和波士顿哈佛医学院的研究人员领导的一项新研究的发现，单个细胞似乎具备学习能力，而这种行为一度被认为是只有拥有大脑和复杂神经系统的动物才具备的。

“细胞不再只是遵循预先编程的遗传指令，而是被提升为能够根据从环境中学习到的内容做出非常基本决策的实体。”哈佛医学院系统生物学副教授、该研究的共同作者杰里米·古纳瓦德纳（Jeremy Gunawardena）说。

该研究着眼于习惯化，即生物体逐渐停止对重复刺激作出反应的过程。这就是为什么人类会停止注意到时钟的滴答声或不再被闪烁的灯光分散注意力的原因。这种最低级的学习形式已经在具有复杂神经系统的动物中得到了广泛研究。

细胞层面是否存在像习惯化这样的类似学习行为，一直是一个充满争议的问题。

20世纪初对单细胞纤毛虫的实验首次揭示了类似学习的行为，但当时这些研究被忽视和驳斥。在20世纪70年代和80年代，研究人员在其他纤毛虫中发现了习惯化的迹象，而现代实验继续为这一理论增添了更多证据。

“这些生物与拥有大脑的动物截然不同。要学习就意味着它们使用内部分子网络，这些网络以某种方式执行与大脑中神经元网络相似的功能。没有人知道它们是如何做到的，所以我们认为这是一个需要探索的问题。”该研究的共同作者、巴塞罗那基因组调控中心的研究员罗莎·马丁内斯（Rosa Martinez）说。

细胞依靠生化反应作为处理信息的手段。例如，向蛋白质表面添加或去除磷酸盐标签会使其打开或关闭。

研究方法

为了追踪细胞如何处理信息，研究人员没有使用实验室培养皿中的细胞，而是基于数学方程进行了计算机模拟，以监测这些反应并解码细胞的“语言”。

这使他们能够观察到，当细胞反复暴露于同一刺激时，其内部分子相互作用是如何变化的。

具体而言，该研究关注了两种常见的分子电路——负反馈环和非相干前馈环。在负反馈中，一个过程的输出会抑制其自身的产生，就像恒温器在房间达到一定温度时关闭加热器一样。

在非相干前馈环中，一个信号同时激活一个过程及其抑制剂，就像带有定时器的运动激活灯一样。在检测到运动后，灯会在一段时间后自动关闭。

模拟结果表明，细胞使用至少两种这样的分子电路的组合来微调其对刺激的反应，并重现更复杂生命形式中观察到的习惯化的所有典型特征。

该研究的一项关键发现是，分子电路的行为需要“时间尺度分离”，即某些反应比其他反应发生得更快。

“我们认为这可能是细胞层面的‘记忆’类型，使细胞既能立即反应，又能影响未来的反应。”马丁内斯博士解释说。

这一发现还可能照亮神经科学家和认知研究人员之间长期存在的争论。多年来，这两组人对习惯化强度与刺激频率或强度之间的关系持不同看法。神经科学家关注可观察的行为，指出生物体对更频繁或更不强烈的刺激表现出更强的习惯化。

然而，认知科学家坚持在习惯化形成后测试内部变化和记忆形成的存在。按照他们的方法，对于频率较低或强度较大的刺激，习惯化似乎更为强烈。

研究表明，模型的行为与这两种观点都相符。在习惯化过程中，对于更频繁或强度更小的刺激，反应会更大程度地减弱；但在习惯化之后，对于这些情况，对常见刺激的反应也会更强。

研究意义

“神经科学家和认知科学家一直在研究基本上是同一枚硬币两面的过程，”古纳瓦德纳（Gunawardena）说。“我们相信，单个细胞有可能成为研究学习基本原理的强大工具。”

这项研究加深了我们对学习和记忆如何在生命最基本层面运作的理解。如果单个细胞能够“记忆”，那么这也有助于解释癌细胞是如何对化疗产生抗性的，或者细菌是如何对抗生素产生抗性的——这些情况下的细胞似乎是从它们的环境中“学习”的。

然而，这些预测需要用真实的生物数据进行验证。该研究使用数学模型来探索细胞学习的概念，因为这样可以让他们快速测试许多不同的场景，以确定哪些场景值得在真实实验中进行进一步研究。

“计算生物学中的宏大目标是让生命像计算机一样可编程，但实验室实验可能成本高昂且耗时，”巴塞罗那合作实验室的马丁内斯（Martinez）博士认为，“但我们的方法可以帮助我们优先确定哪些实验最有可能产生有价值的结果，从而提高针对性，节省时间和资源，带来新的突破。”

新闻来源：Center for Genomic Regulation