水母没有脑,却拥有高级的学习能力

发表时间:2023/09/24 20:32:57  来源:原理  浏览次数:2350  
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水母是一类已经在地球上生活了5亿多年的刺胞动物。它们被认为是现存的最早发育出神经系统的生物。一直以来,一种普遍的观点认为,水母有着非常简单的神经系统,所以它们的学习能力非常有限。

但现在,在一项新发表于《当代生物学》杂志上的研究中,一组科学家通过实验发现,水母并不像我们过去以为的那么简单,它们比我们曾经认为的要高级得多:它们具有更精细的学习能力,可以从错误中学习,并且通过这种学习来改变行为。这一发现改变了我们对脑的基本理解,并可能启发我们了解人类自己的脑。

拥有高级学习能力的水母

新研究所关注的水母被称为Tripedalia cystophora,属于立方水母纲(又称箱型水母)。立方水母以剧毒闻名,被认为是世界上最毒的一类动物,它们用毒液捕捉鱼和大虾。已知的立方水母物种已经超过50个,其中Tripedalia cystophora是最小的之一,其身体直径只有一厘米左右。它们生活在加勒比海的红树林沼泽中,以微小的桡足动物为食。与其他立方水母相比,它们毒液的毒性也较为温和。

一直以来,科学家都对这些水母很感兴趣。因为它们不像大多数动物那样有一个集中的脑,而是有着4个并行的类似脑的结构。每个这样的结构中,大约有1000个神经细胞,相比之下,人类的脑中大约有1000亿个神经细胞。

此外,它们还拥有强大到令人惊叹的视觉系统——24只眼睛,分布在4个类似脑的结构中。在海底昏暗的红树林沼泽中,这24只眼睛可以帮助Tripedalia cystophora在红树林的树根中寻找食物。虽然这些昏暗复杂的树根网络是一个很好的狩猎场所,但对软体的水母来说,也是一个危险之地。

当小小的Tripedalia cystophora接近红树林根部时,它们会转身游走。如果它们转得太快,就没有足够的时间捕捉桡足类动物;但如果转得太慢,就有可能撞到树根,让凝胶状的身体受到伤害。因此,评估距离对它们来说至关重要

研究人员发现,Tripedalia cystophora评估与根部的距离的一个关键在于对比度,即根部相对于水的黑暗程度。通过识别这种对比度,它们可以在恰到好处的时刻游开。

能力超强的1000个神经细胞

在新的研究中,为了模拟红树林根部的环境,研究人员将Tripedalia cystophora放置在圆柱形的水箱里。水箱内壁上有黑白或灰白的垂直条纹。对Tripedalia cystophora来说,这些黑色的或灰色的条纹,就像是红树林的根在清澈的水中或是在浑浊的水中的样子。

在“浑浊的”水箱中,Tripedalia cystophora会撞到水箱壁上,因为它们的视觉系统无法很清楚地检测到灰色条纹。但经过几分钟的“碰撞”之后,它们就学会了调整行为,当离水箱壁太近时,就会快速地跳转游开。

这意味着,当水变浑浊时,距离和对比度之间的关系发生了变化,Tripedalia cystophora无法仅仅依靠视觉系统就清楚地发现障碍物,而是要同时在视觉刺激和机械刺激下,才能学会避开障碍物,防止受到伤害。

因此,尽管只有1000个神经细胞,Tripedalia cystophora仍然可以将各种印象结合起来,展开一种联想学习。实际上,它们的学习速度和果蝇以及小鼠等更高级的动物一样快。

寻找储存记忆的脑细胞

过去,人们曾认为水母只能进行最简单的学习,比如习惯化,即适应某种特定刺激的能力,如持续的声音或持续的触摸。新的结果对于基础神经科学来说是一个重磅新闻,因为它打破了之前对简单神经系统动物能力的科学认知,为研究简单的神经系统提供了一个新的视角,表明高级学习能力可能从一开始就是神经系统最重要的进化益处之一。

研究人员希望,这能成为一个用于研究各种动物高级学习中的细胞过程的超级模型系统。现在,他们正试图精确地找出哪些细胞参与了学习和记忆的形成。如此一来,他们就能深入研究在学习过程中,细胞发生的结构和生理变化。

在确定水母参与学习的确切机制后,研究人员下一步希望能找出它是否只适用于水母,还是适用于所有动物。最终,他们将在其他动物身上寻找同样的机制,看看这是否是记忆的一般工作方式。

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