Kann man ohne Gehirn lernen? Der Kampf um die Grenzen des Einzelzelllernens

Lernen als psychologisches und kognitives Konzept bezeichnet den Prozess des Erwerbs neuer Erkenntnisse, Kenntnisse, Verhaltensweisen, Fähigkeiten, Werte, Einstellungen und Vorlieben. Traditionell glaubten wir, dass Lernen eine Fähigkeit ist, die nur Organismen mit kognitiven Funktionen auf höherer Ebene besitzen. Doch wo liegen die Grenzen des Lernens? Wie ist es passiert? Einige Forscher glauben, dass wir lernen können, weil jede einzelne Zelle „lernen“ kann.

Von Catherine Offord

Zusammengestellt von Wang Chao

Das Konzept des „Einzelzelllernens“ tauchte erstmals Mitte des 20. Jahrhunderts auf und war seit seiner Einführung umstritten. Nachdem diese Frage jahrzehntelang im Dunkeln lag, hat sie vor kurzem wieder die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Die Forscher hoffen zu verstehen, wie die Wahrnehmung mit und ohne Gehirn entsteht.

01 Umstrittene frühe Forschung

1960 eröffnete Beatrice Gelber in Tucson, Arizona, ein Institut namens Basic Health Research Institute. Die Lokalzeitung interviewte Gelber, beschrieb sie als „leidenschaftliche Psychologin“ und berichtete über ihre Forschung, die selbst sie für unorthodox hielt. Gelber sagt, sie habe vor einigen Jahren bei einem Protozoen namens Paramecium aurelia ein unerwartetes Verhalten entdeckt. Sie glaubt, dass dieser einzellige Organismus auch über die Fähigkeit verfügt, zu lernen, und dass Lernen nicht auf höhere Arten wie Säugetiere oder Vögel beschränkt ist. Sie erzählte Reportern, dass die Wissenschaftler „zuerst dachten, ich sei verrückt, aber jetzt finden sie es irgendwie interessant.“

Gelbers akademische Karriere begann nicht früh. Mit der wissenschaftlichen Forschung begann sie erst, als ihre drei Kinder erwachsen waren. Während ihrer Doktorandenzeit an der Indiana University war sie fasziniert vom offenbar komplexen Verhalten der Pantoffeltierchen (Paramecium) und begann, diese zilientragenden Einzeller darauf zu trainieren, Reize mit Belohnungen zu assoziieren – so wie Pawlow seinen Hunden beibrachte, den Klang einer Glocke mit Futter zu assoziieren. Sie legte eine Pantoffeltierchenkultur auf eine Flüssigkeitspfütze auf einem Objektträger und führte einen mit Bakterien beschichteten Draht ein (Bakterien sind eine köstliche Nahrung für Pantoffeltierchen). Obwohl die Pantoffeltierchen zunächst etwas zurückhaltend waren, schwammen sie bald auf den Draht zu. Nach mehreren Experimenten stellte Gelber fest, dass das Einlegen eines Drahtes ohne Bakterien in die Flüssigkeit dasselbe Nahrungssuchverhalten auslöste.

Die Psychologin Beatrice Gelber führte in den 1950er und 1960er Jahren eine Reihe von Experimenten durch, um das assoziative Lernen bei Paramecium zu testen. In ihrem Hauptexperiment (obere Reihe) stellte sie fest, dass die Pantoffeltierchen (grün) einen in einen Objektträger getauchten Metalldraht zunächst ignorierten. Als sie den Draht jedoch mit Bakterien (rot) überzog, die die Pantoffeltierchen gerne fressen, schwammen sie darauf zu. Nach mehreren solchen Trainingseinheiten legte sie den Draht wieder in die Flüssigkeit und stellte fest, dass die Einzeller immer noch darauf zuschwammen, was darauf hindeutete, dass sie gelernt hatten, den Draht mit Nahrung zu assoziieren. Um alternative Erklärungen auszuschließen, führte Gelber einige Kontrollexperimente durch: Einer Kontrollgruppe stellte sie während des Trainings weder den Draht noch Futter zur Verfügung (untere Reihe); In einer anderen Kontrollgruppe stellte sie während des Trainings blanken Draht anstelle von bakterienbedecktem Draht bereit (mittlere Reihe). Sie kam zu dem Schluss, dass in keiner der Kontrollgruppen ein Lernverhalten auftrat. Einige Kritiker Gelbers argumentieren, dass es ihm in seinen Experimenten nicht gelungen sei, andere Faktoren auszuschließen, wie etwa durch Bakterien verursachte Veränderungen der Flüssigkeit. Andere Forscher sind der Ansicht, dass Gerlbers Experimente aus physiologischer Sicht nicht glaubwürdig seien. Nach Ansicht dieser Forscher ist es schlicht unmöglich, dass ein so einfacher Organismus in der Lage ist, Verhalten zu erlernen.

Für Gelber zeigten ihre Experimente, dass Paramecium lernen konnte, den Draht mit Nahrung zu assoziieren, ein Prozess, der als assoziatives Lernen bekannt ist. Diese Ansicht stellt die bestehenden Erkenntnisse vieler Wissenschaftler in Frage, da allgemein angenommen wird, dass nur hochentwickelte mehrzellige Tiere mit einem zentralen Nervensystem „lernen“ können. Gelbers Erkenntnisse legen jedoch nahe, dass die für das Lernen und andere kognitive Prozesse erforderlichen biologischen Mechanismen möglicherweise nicht nur in den Verbindungen zwischen den Neuronen im Gehirn eines Tieres, sondern auch in den einzelnen Zellen selbst vorhanden sind.

In einer Arbeit aus dem Jahr 1962 spekulierte Gelber: „Vielleicht laufen die biochemischen und zellulären physiologischen Prozesse, die neue Reaktionen kodieren, in diesen Stämmen kontinuierlich ab, weshalb Protozoen und Säugetiere so ähnlich sind.“ (Hinweis: Paramecium und Säugetiere gehören zum Stamm Protozoa bzw. Chordata der Klasse Animalia.)

Ihre Schlussfolgerungen lösten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Debatte aus. Einige Forscher fanden die Idee faszinierend, doch viele Kritiker meinten, ihre Experimente seien hinsichtlich der Kontrolle der Variablen fehlerhaft: Sie schloss einfachere Ursachen nicht aus, wie etwa Tropismus, eine grundlegende, automatische Reaktion von Organismen auf Reize wie Drähte oder Nahrung. Einige Kritiker behaupten sogar, dass sie die Grenze zwischen uns und den Protozoen verwischt. Der Pantoffeltierchenforscher Donal Jensen schrieb 1957 in der Zeitschrift Science: „Gelbers beiläufige Anwendung von Konzepten (Verstärkung und Annäherungsreaktion) und Situationen (Futterangebot), die höheren Organismen gemein sind, auf Protozoen scheint mir eine Überschätzung der sensorischen und motorischen Fähigkeiten dieser Organismen zu sein.“

Als Gelber 1991 starb, war ihr Werk fast aus dem Blickfeld verschwunden. Eine Suche nach ihrem Namen in wissenschaftlichen Arbeiten zwischen 1980 und 2020 liefert fast keine Ergebnisse – keine Artikel, an denen sie mitgewirkt hat, und keine Arbeiten, in denen sie zitiert wird. Doch jetzt, 70 Jahre nachdem sie mit ihren Experimenten begann, ist ein Forscherteam der Harvard-Universität der Meinung, dass ihre Ideen eine Wiederbelebung verdienen. Der Harvard-Kognitionsneurowissenschaftler Sam Gershman hat kürzlich gemeinsam mit Kollegen eine Rezension in eLife veröffentlicht, in der Gelbers Arbeit besprochen wird. Nach Ansicht von Gershman berührt Gelbers Arbeit einige Punkte – ihre Ideen weisen gewisse Ähnlichkeiten mit den Ansichten zeitgenössischer Forscher zur „Informationsspeicherung in einzelnen Neuronen“ auf.

Gershman sagt, dass es neben Experimenten zur Untersuchung des Lernens bei Einzellern auch Belege aus Studien mit Mehrzellern gibt, die insgesamt darauf schließen lassen, dass zumindest einige Gedächtnisarten in Veränderungen innerhalb der Zellen kodiert werden können. Dazu gehören beispielsweise Erinnerungen, die epigenetische DNA-Modifikationen betreffen oder genregulatorische Netzwerke auf irgendeine Weise verändern. Obwohl einige Pantoffeltierchen-Biologen immer noch nicht glauben, dass einzellige Organismen lernen können, hofft Gershman, dass die Forscher ihren Horizont erweitern und einige universelle Gesetze finden, die erklären können, wie komplexe Verhaltensweisen im Tierreich entstehen, und uns letztlich dabei helfen, „Lernen“ und „Gedächtnis“ besser zu verstehen.

02 Beweise für Einzelzelllernen

Es bestehen große Zweifel am Lernen einzelner Zellen, da eine experimentelle Überprüfung nicht einfach ist. Die Gestaltung eines sinnvollen Experiments, um die Auswirkungen verschiedener Ursachen auf die Ergebnisse zu unterscheiden, ist ein seit langem bestehendes und schwieriges Problem. Der Schlüssel zu Gelbers Experiment bestand darin, nachzuweisen, dass sich das Verhalten des Parameciums (es schwamm auf den Draht zu) änderte, weil es den Reiz mit einer Belohnung verband, und nicht, weil es instinktiv auf chemische oder andere Signale reagierte, die von den Bakterien und dem Draht ausgesendet wurden.

Laut Gershman führten Gelbers Gegner ebenfalls einige Experimente durch, um zu beweisen, dass Gelbers Experimente nicht wiederholbar seien. Allerdings waren auch diese Gegenexperimente mit einigen Problemen behaftet. Obwohl Gelber sorgfältig einige Kontrollexperimente durchgeführt hat, um ihre experimentellen Schlussfolgerungen zu untermauern, bleiben die Kritiker unbeeindruckt, da die Vorstellung, dass „einzellige Organismen nicht die Fähigkeit besitzen zu lernen“, bereits tief verwurzelt ist.

2.1 Progressive Verhaltensanpassung des Trompetenfilaments

Tatsächlich hatte man bereits Jahrzehnte, bevor Gelber mit der Erforschung des Parameciums begann, entdeckt, dass Protozoen „lernen“ können. Der amerikanische Zoologe Herbert Spencer Jennings (1868-1947) untersuchte einen anderen Protozoen, Stentor roeseli, einen einzelligen, trompetenförmigen Wimpertierchen. Jennings verwendete Karminfarbstoff als Reiz und stellte fest, dass die Trompetenwanzen nach wiederholter Einwirkung des Reizes unterschiedlich reagierten. Dies lässt darauf schließen, dass sie bis zu einem gewissen Grad aus vergangenen Erfahrungen lernten. Wie die Entdeckung Gelbers wurde auch seine Entdeckung Mitte des 20. Jahrhunderts kritisiert und als nicht reproduzierbar angesehen. Jeremy Gunawardena, ein Systembiologe an der Harvard Medical School, ist besonders verärgert darüber, dass Jennings‘ Kritiker nicht einmal dieselben Ciliaten verwendet haben, um seine Arbeit zu replizieren.

Gunawardena ist Co-Autorin von Gershmans Rezension. Wie Gershman interessiert er sich für das Lernen einzelliger Organismen, da es das bisherige Verständnis der Wissenschaftler von komplexen Verhaltensweisen wie dem Lernen auf den Kopf stellt. Um diese Ideen zu erforschen, machte sich sein Team daran, Jennings‘ Experiment zu wiederholen.

Gunawardenas Gruppe entschied sich für Polystyrol, das eine bessere stimulierende Wirkung als Karminfarbstoff hat. Mithilfe einer Nadel brachten sie Polystyrolpartikel auf einen Objektträger aus Glas, und die darauf abgelegten Würmer zeigten dann verschiedene Vermeidungsverhaltensweisen, wie etwa Ducken, Zusammenrollen oder vollständiges Wegschwimmen. Die Forscher stellten fest, dass die Zellen offenbar eine Abfolge von Verhaltensweisen zeigten, wie Jennings sie beschreibt: Ihre anfängliche Reaktion war bescheiden, vielleicht nur eine leichte Biegung, aber als der Reiz erneut kam, schwammen sie einfach weg oder zogen sich zurück. Obwohl dieses Vermeidungsverhalten nicht so komplex ist wie das assoziative Lernen, das Pawlow bei Hunden beobachtete, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Trompetenwanzen ihre Reaktionen auf der Grundlage früherer Erfahrungen anpassen können. Im Jahr 2019 veröffentlichte Gunawardena diese Schlussfolgerungen in der Zeitschrift Current Biology. Rückblickend war Jennings' Schlussfolgerung möglicherweise nicht falsch.

Nach Experimenten von Herbert Spencer Jennings im frühen 20. Jahrhundert beobachteten Forscher der Harvard Medical School kürzlich bei der einzelligen Trompetenwanze ein Anpassungsmuster, das als „Verhaltenshierarchie“ bezeichnet wird. Alle paar Minuten feuerten sie Strahlen aus Polystyrolpartikeln auf die auf einem Objektträger abgelegten Trompetenwürmer ab und stimulierten so die Zellen auf dem Objektträger (siehe ①). Wie Jennings dokumentierte, stellten sie fest, dass sich das Verhalten der Käfer je nach dem, was zuvor passiert ist, ändert. Zunächst reagiert es, indem es sich vom Polystyrolpartikel wegbiegt (siehe ②) oder mit seinen Flimmerhärchen wedelt (siehe ③). Doch nach einer Weile zeigten sie übertriebenere Aktionen – sie schrumpften (siehe ④) oder schwammen einfach weg (siehe ⑤). Die Forscher erklärten in ihrer Arbeit, dass diese Verhaltensreihe zwar keine komplexe Form des Lernens darstelle, sie aber zeige, dass die Trompetenkäfer bei ihren Entscheidungen auf frühere Erfahrungen zurückgreifen.

2.2 Habituelles Lernen von Physarum polycephalum

Auch ein anderer einzelliger Schleimpilz, Physarum polycephalum, scheint zu einfachem Lernen fähig zu sein. Dies ist eine spezielle Art einzelliger Organismen, die mehrere Kerne enthalten können. In ihrem 2017 erschienenen Buch „Le Blob“ (Der Blob) verwendete die französische Biologin Audrey Dussutour den Pilz Physarum polycephalum als Modell zum Verständnis des komplexen Verhaltens „nicht-neuronaler Organismen“. Vor einigen Jahren entdeckte ihr Team, dass der Schleimpilz eine Art nicht-assoziativen Lernens aufweist, die Habituation genannt wird. Dabei gewöhnt sich ein Organismus an einen Reiz und reagiert nicht mehr darauf. Um dies am Beispiel mehrzelliger Organismen zu erklären: Eine Maus würde sich zunächst vor einem plötzlichen lauten Geräusch fürchten, doch je öfter sie es hört, desto geringer würde ihre Reaktion auf dasselbe Geräusch sein.

Das Team um Dussutour stellte fest, dass sich der Pilz allmählich an diese beiden Verbindungen gewöhnt, die er normalerweise meidet, wenn Chinin und Koffein als Brücke zwischen Pilz und Nahrung platziert würden. Dussutour sagt, dass die Schleimpilze zunächst viel Zeit damit verbrachten, die mit Reizen überzogene Brücke zu erkunden, aber nachdem sie sich erst einmal daran gewöhnt hatten, schienen ihnen die Reize, die sie zuvor vermieden hatten, nichts mehr auszumachen. Ähnlich wie beim Habituationslernen bei mehrzelligen Tieren entwickelte sich bei den Schleimpilzen eine Abneigung gegen die Verbindungen, wenn sie diesen mehrere Tage lang nicht mehr ausgesetzt waren. Das Team führte außerdem ausführliche Kontrollexperimente durch, um zu beweisen, dass diese Gewohnheit nur als Reaktion auf diese Verbindungen entstand und keine Ermüdungsreaktionen aufgrund einer Überlastung des sensorischen Systems des Schleimpilzes verursachte.

Von Forschern am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung durchgeführte Experimente haben gezeigt, dass Physarum polycephalum (ein einzelliger Schleimpilz, der sich durch Vorstehen an den Rändern seines Körpers fortbewegen kann) einen Lernmodus namens „Habituationslernen“ aufweist. Dies ist eine grundlegende Form des nicht-assoziativen Lernens. Legen Sie den Schleimpilz (gelb) und das Futter (weiß) jeweils auf zwei Teller und verbinden Sie diese anschließend mit einer Brücke in der Mitte. Der Schleimpilz wächst normalerweise auf der Brücke (siehe ①). Wenn die Brücke mit Substanzen beschichtet wird, die der Schleimpilz nicht mag, wie beispielsweise Chinin (lila), kann die Bewegung des Schleimpilzes auf der Brücke stark reduziert werden (siehe ②). Nach mehreren Tagen kontinuierlichen Kontakts mit der chininbeschichteten Brücke gewöhnte sich der Schleimpilz jedoch daran und wuchs dann wie gewohnt weiter, ohne dass es zu nennenswerten Auswirkungen kam (siehe ③). Diese Verhaltensänderung ist nicht dauerhaft. Trifft der Schleimpilz erneut auf eine normale Brücke (siehe ④), vergisst er die zuvor entwickelte Gewohnheit und zeigt das aversive Verhalten erneut, wenn er auf eine weitere chininbeschichtete Brücke trifft (siehe ⑤).

2.3 Verbleibende Kontroversen

Mehrere Studien (einschließlich der beiden oben genannten) deuten darauf hin, dass sich die Ansichten über nicht-neuronale kognitive Aktivitäten ändern. „Vor zehn Jahren fand man in eLife und Current Biology keine Artikel über das Lernen bei Einzellern“, sagt Dussutour. „Jetzt fangen die Leute an, sich dafür zu interessieren.“ Gershman hofft auf weitere Forschungen auf diesem Gebiet und sein eigenes Labor plant bereits Experimente mit Paramecium.

Allerdings hält nicht jeder das Thema für studienwürdig. Manche Biologen betrachten Protozoen immer noch als Reiz-Reaktions-Geräte – „die zwar zu komplexen Verhaltensweisen fähig erscheinen, in Wirklichkeit aber auf einer einfachen mechanischen Logik beruhen, die seit mehr als einem Jahrhundert erforscht wird.“

Es gibt mehr Stimmen der Opposition. Judith Van Houten, Biologin und Paramecium-Expertin an der University of Vermont, schrieb Gershman und seinen Kollegen kürzlich, dass sie Gelbers Experimente für fehlerhaft halte und dass die Schlussfolgerungen zum assoziativen Lernen nicht mit dem aktuellen wissenschaftlichen Verständnis der Protozoen übereinstimmten. „Alle Verhaltensstudien zu Paramecium müssen auf einem fundierten Verständnis seiner Physiologie basieren, und dieses bestehende Verständnis ist nicht über Nacht entstanden, sondern basiert auf langjähriger und sorgfältiger Forschung auf der ganzen Welt.“

03 Suche nach Gedächtnismechanismen in Zellen

Für das Lernen ist normalerweise eine Form der Speicherung von Informationen über die Umgebung erforderlich. Forscher wie Gershman hoffen daher, in eine Richtung vorzudringen, in der sie nach Mechanismen suchen, durch die sich Erinnerungen in einzelnen Zellen bilden können – sowohl in einzelligen Organismen, die in Flüssigkeiten schwimmen, als auch in einzelnen Zellen mehrzelliger Tiere. Es sei nicht so weit hergeholt, beides in einen Topf zu werfen, sagte Gunawardena. „Viele der Mechanismen sind üblich.“

Nehmen Sie als Beispiel Paramecium. Bei Einwirkung bestimmter Reize erzeugt Paramecium kalziumbasierte Aktionspotentiale. Außerdem verfügt es über GABA-Rezeptoren. GABA ist ein gut erforschter Neurotransmitter bei mehrzelligen Tieren, daher wird Paramecium in wissenschaftlichen Kreisen oft als „Schwimmneuron“ bezeichnet. „Wenn wir das Glück haben, den Mechanismus in einzelligen Organismen zu finden, dann könnte derselbe Mechanismus auch in mehrzelligen Organismen existieren“, glaubt Gunawardena. Gunawardena fügt hinzu, dass sein Labor auch Experimente zur Verhaltensanpassung und zum Erlernen von Gewohnheiten in isolierten Säugetierzellen durchführen will.

3.1 Hardware-Erklärung

Der Hauptkandidat für den oben erwähnten universellen intrazellulären Informationsspeichermechanismus ist RNA. RNA ist am gesamten Lebenszyklus eines Organismus beteiligt, wird kontinuierlich produziert und unterliegt verschiedenen Modifikationen. Die Idee entstand in den 1960er Jahren, als der Biologe James McConnell (1925–1990) behauptete, er könne Erinnerungen zwischen Plattwürmern übertragen, indem er RNA-Moleküle aus einem Plattwurm extrahierte und sie in einen anderen injizierte. Wie bei den oben erwähnten Studien waren die meisten Wissenschaftler jedoch der Meinung, dass diese Studie nicht reproduziert werden könne, sodass sie schnell aus der allgemeinen Wahrnehmung verschwand. Bisher konzentrierte sich die Erforschung dieser Idee auf einfache mehrzellige Organismen.

Auch das Team um Coleen Murphy von der Princeton University erforschte die RNA-Richtung und wählte Caenorhabditis elegans als Forschungsobjekt. Nachdem die Fadenwürmer gefährlichen Bakterien ausgesetzt waren, können sie lernen, dieselben Bakterien in ihrer Umgebung zu meiden. Murphys Team veröffentlichte seine Vorabdruckstudie Ende 2020 auf bioRxiv: Nachdem Fadenwürmer, die bestimmten Bakterien ausgesetzt waren, zusammengebracht und mit Fadenwürmern zusammengebracht wurden, die diesen Bakterien nicht begegnet waren, konnten letztere lernen, diese spezifischen Bakterien zu meiden. Die Forscher fanden winzige Partikel, die für die Informationsübertragung von entscheidender Bedeutung sind und RNA zu enthalten scheinen, aber die Menge war zu gering, um sie sequenzieren zu können.

C. elegans

Eine Studie des Teams um David Glanzman an der University of California in Los Angeles aus dem Jahr 2018 zeigte, dass RNA bei der Meeresschnecke Aplysia californica zumindest einige Gedächtnisformen trägt. Sie extrahierten RNA aus den Nervenzellen zweier Gruppen von Meeresschnecken, einer Gruppe, die einem Elektroschock ausgesetzt war (Versuchsgruppe), und einer Gruppe, die keinem Elektroschock ausgesetzt war (Kontrollgruppe), und injizierten sie diese dann in die Körper der Meeresschnecken, die keinem Elektroschock ausgesetzt waren. Nach der RNA-Injektion der Versuchsgruppe verhielten sich die Schnecken vorsichtiger, als wären sie ebenfalls einem Elektroschock ausgesetzt gewesen, und zeigten nach dem Antippen ein längeres Rückzugsverhalten.

Glanzman spekuliert, dass die extrahierte RNA möglicherweise epigenetische Veränderungen in der DNA der Empfängerschnecke hervorgerufen und dadurch das Verhalten des Tieres verändert und die Übertragung von Erinnerungen bewirkt hat. Er räumte ein, dass die meisten seiner damaligen Kollegen dies für „äußerst unwahrscheinlich“ gehalten hätten. Eine kleine Anzahl von Studien hat jedoch inzwischen ergeben, dass sich die Muster der DNA-Methylierung oder Histonmodifikation während verschiedener Lernprozesse bei Wirbeltieren ändern. Neurowissenschaftler gehen jedoch im Allgemeinen davon aus, dass diese epigenetischen Veränderungen eher dazu dienen, die Bildung von Erinnerungen zu unterstützen, als die Erinnerungen selbst zu speichern.

Dussutour, der Physarum-Forscher, hofft, diese Ideen auf die Untersuchung einzelliger Organismen anwenden zu können. Sie arbeiten derzeit mit Molekularbiologen zusammen, um herauszufinden, ob das Konzept des „RNA-Mechanismus“ das Prinzip des Habituationslernens bei Physarum polycephalum erklären kann. Andere Forscher untersuchen auch alternative Hypothesen und wollen herausfinden, ob eine physikalische Veränderung der Zellstruktur die Bildung eines Einzelzellgedächtnisses erleichtern könnte. Beispielsweise verändert es das Zytoskelett und verändert den enzymatischen Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungszyklus intrazellulärer Proteine. Im Jahr 2021 berichteten deutsche Forscher, dass Physarum polycephalum möglicherweise seine eigene Zellmorphologie nutzt, um Informationen über den Standort früherer Nahrung zu speichern.

3.2 Software-Erklärung

Neben der Verwendung von „Hardware-Änderungen“ zur Erklärung des Lernmechanismus einzelner Zellen untersuchen einige Wissenschaftler auch „Software-Änderungen“. Michael Levin, Regenerations- und Entwicklungsbiologe an der Tufts University, hat die Genregulationsnetzwerke untersucht, die die Genexpression in einzelnen Zellen steuern. Er und seine Kollegen untersuchten, wie diese regulatorischen Netzwerke ihre Reaktionen auf bestimmte Reize ändern können, ohne auf physikalische Veränderungen angewiesen zu sein – ähnlich wie ein Computer eine Texteingabe aufzeichnen kann, ohne seine Hardware physikalisch zu verändern.

Wenn wir beispielsweise im einfachsten Netzwerk davon ausgehen, dass die Aktivierung/Inaktivierung von Genen durch Interaktionen mit anderen Genen oder durch externe Umweltreize verursacht wird, dann hängt der aktuelle Zustand der Gene im Netzwerk von allen Interaktionen und externen Reizeingaben ab, die bisher stattgefunden haben, und erzeugt so ein Gedächtnis. Dies bedeutet, dass solche Netzwerke trainiert werden können, um zu lernen, was mit was verbunden ist, und ihr zukünftiges Verhalten zu ändern. „Es ist nicht so, dass wir die Verbindung zwischen Gen A und Gen B verändert hätten“, sondern dass alles, was die Zelle erlebte, den stabilen Zustand des gesamten Systems veränderte und auch die Art und Weise veränderte, wie sie in Zukunft auf diese Reize reagiert. „Das ist etwas anders, als die Leute vielleicht gedacht haben.“ „

3.3 Warum das Lernen einzelner Zellen untersuchen?

Das Studium des Mechanismus der Informationsspeicherung innerhalb einer einzelnen Zelle ist von großer Bedeutung, die über seine eigene Bedeutung hinausgeht. Einige Neurowissenschaftler glauben sogar, dass dieser Mechanismus traditionellere mehrzellige Theorien des menschlichen Gedächtnisses und Lernens ergänzen könnte. „Jahrelang beschwerten sich die Leute, dass unser Verständnis des Gedächtnisses im Gehirn nicht gut genug sei“, sagt Gershman. Die führende Theorie ist die synaptische Plastizität. Sie besagt, dass Erinnerungen in den Verbindungen zwischen Neuronen gespeichert werden und dass Lernen aus Veränderungen der relativen Stärke dieser Verbindungen entsteht.

Viele Wissenschaftler sind jedoch der Ansicht, dass die Theorie der synaptischen Plastizität reale Daten nicht vollständig erklären kann. Es ist noch nicht klar, ob der neu vorgeschlagene intrazelluläre Mechanismus zur Informationsspeicherung diesen Mangel ausgleichen kann. Sie veranlassen die Forscher jedoch dazu, traditionelle Theorien der Kognition zu überdenken.

04 Der Kampf um die Grenzen der Definition

Obwohl Wissenschaftler die Überschneidung zwischen der Erforschung einzelliger und mehrzelliger Organismen für wertvoll halten, räumen sie ein, dass es keine endgültige Antwort auf die Frage gibt, wo die Grenze zwischen Lernen als kognitivem Prozess und anderen kognitiven Prozessen verläuft.

Dussutour glaubt, dass es weniger umstritten wäre, wenn wir zur Beschreibung des komplexen Verhaltens einzelner Zellen keine Begriffe aus der traditionellen Verhaltensforschung übernehmen würden. Denn ob das Lernverhalten von Tieren und das „Lernen“ einzelner Zellen gleichwertig sind, muss noch überprüft werden. „Wenn wir das Wort ‚Lernen‘ verwenden, um einzellige Organismen zu beschreiben, fühlen sich manche Menschen unwohl.“ Dussutour erwähnte auch einen anderen ähnlichen Fall: die Diskussion der Neurowissenschaften im Zusammenhang mit Pflanzen – es wurde darüber diskutiert, ob Pflanzen eine tierähnliche Wahrnehmung aufweisen können (Fanpu veröffentlichte beispielsweise einmal einen Artikel mit der Diskussion „Können Pflanzen auch sehen?“). Sie bezeichnet das Phänomen, das sie bei Physarum polycephalum beobachtet hat, lieber als „Anpassung“ denn als „Lernen“, da ihrer Meinung nach der Schlüssel nicht darin liegt, diese Verhaltensweisen zu klassifizieren, sondern darin, den Mechanismus dahinter herauszufinden.

Levin und Dussutour vertreten genau die gegenteilige Ansicht. Er ist davon überzeugt, dass die Verwendung gemeinsamer konzeptioneller Namen es den Menschen ermöglichen wird, die Ähnlichkeiten zwischen verschiedenen Organismen besser zu erkennen und zu vergleichen. Wenn wir die Forscher, die auf den traditionellen Grenzen der Erkenntnis beharren, wirklich zufriedenstellen wollen, können wir neben „Lernen“ ein weiteres Wort erfinden. Doch damit „verpassen wir die Gelegenheit, das mächtigste Werkzeug der Wissenschaft zu nutzen – nämlich die Vereinheitlichung.“ Da Systeme künstlicher Intelligenz in lebenden und nicht-lebenden Medien immer häufiger vorkommen, ist das Lernen einzelner Zellen kein schockierendes Konzept mehr. „Wir haben eine grundlegende Fähigkeit entdeckt, die in allen Arten von Systemen vorhanden ist: die Fähigkeit, zukünftiges Verhalten auf der Grundlage vergangener Erfahrungen zu ändern“, sagte Levin.

Wenn Gelber, der Pionier der Erforschung des Lernverhaltens von Pantoffeltierchen, noch am Leben wäre, würde er Levins ganzheitlicher Sichtweise wahrscheinlich zustimmen. Wie sie in mehreren Artikeln erwähnt hat, kann die Erforschung der Lernfähigkeit von Paramecium einige universelle Erkenntnisse über die Informationsspeicherung und das Verhalten aller Organismen liefern. Gershman stellte fest, dass es keinen Wikipedia-Eintrag zu Gelber gab, bis er und seine Kollegen begannen, auf Twitter nach Informationen über ihn zu fragen und diese zu sammeln. Er ist der Ansicht, dass Gelbers Forschung zwar bei den Menschen ein Unbehagen hervorgerufen habe, es jedoch schade sei, dass ein solches Juwel in Vergessenheit geraten sei. Die erneute Auseinandersetzung mit Gelbers vergessenem Werk „hat mir die soziale Natur der Wissenschaft und die Tatsache, dass manche Ergebnisse kurzerhand abgetan werden, sehr bewusst gemacht“, sagte Gershman. „Paradigmen schränken unsere Perspektive ein. Wenn wir über ein Phänomen nachdenken, begeben wir uns manchmal auf einen schmalen Pfad und ignorieren am Ende die Möglichkeit anderer Pfade.“

Die Übersetzung dieses Artikels aus der Zeitschrift „The Scientist“ ist autorisiert, der Titel wurde vom Herausgeber verfasst. Ursprüngliche URL
https://www.the-scientist.com/features/can-single-cells-learn-68694

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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