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没有大脑的记忆：单细胞粘液霉菌如何做出明智的决定

时间：2022-06-09 12:25:05 来源：

粘液霉菌多头Phys麦由单个生物细胞组成。显微注射可以用颜色标记Physarum中的流动。

对过去事件的记忆使我们能够对未来做出更明智的决策。马克斯-普朗克动力与自组织研究所（MPI-DS）和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员现在已经确定了粘液菌poly头虫（Physarum polycephalum）如何保存记忆-尽管它没有神经系统。

当寻找食物或避免有害环境时，存储和恢复信息的能力为有机体带来了明显的优势。传统上，它被归因于具有神经系统的生物。

由Mirna Kramar（MPI-DS）和Karen Alim教授（TUM和MPI-DS）撰写的一项新研究通过揭示高度动态的单细胞生物存储和检索有关其环境的信息的惊人能力，对这一观点提出了挑战。

过去的窗口

数十年来，粘液霉菌Physarum polycephalum一直困扰着研究人员。这种独特的生物体存在于动植物王国和真菌王国之间的十字路口，可洞悉真核生物的早期进化历史，人类也属于真核生物。

慕尼黑工业大学的Karen Alim教授和马克斯-普朗克动力学与自组织研究所的Mirna Kramar教授发现，粘菌霉菌Physarum polycephalum将食物的记忆直接编织到网络状身体的结构和用途中在做出未来决策时存储的信息。

它的身体是一个巨大的单细胞，由相互连接的管组成，形成复杂的网络。这种单个变形虫细胞可能会延伸几厘米甚至几米，是吉尼斯世界纪录中地球上最大的细胞。

网络架构作为内存

“从一个简单的实验观察中得出一个项目，这是非常令人兴奋的，”哥廷根MPI-DS生物物理与形态发生小组负责人，慕尼黑工业大学生物网络理论教授卡伦·阿林（Karen Alim）说。

当研究人员追踪生物体的迁移和进食过程，并观察到进食后很长一段时间，食物来源在网络的较粗和较细的管的图案上有独特的印记。

粘液霉菌多头Phys麦由单个生物细胞组成。由于他具有使管网适应不断变化的环境的独到能力，他被称为“智能”。TUM和MPI-DS的研究人员现在已经发现了它如何存储信息-即使没有神经系统或大脑。

卡伦·阿林（Karen Alim）表示：“鉴于多头体育的高度动态的网络重组，这种烙印的持久性引发了这样的想法，即网络架构本身可以充当过去的记忆。”但是，他们首先需要解释烙印形成的机制。

决策以记忆为指导

为此，研究人员将对管状网络适应性的微观观察与理论模型相结合。与食物的接触会触发一种化学物质的释放，这种化学物质会从在整个生物体内发现食物的位置传播出去，并使网络中的管道变软，从而使整个生物体重新定向向食物的迁移。

第一作者米尔娜·克拉玛（Mirna Kramar）说：“逐渐变软的地方是先前食物来源的现有烙印开始发挥作用，信息在这里被存储和检索。”“过去的喂食事件被嵌入到管径的层次结构中，特别是在网络中粗细管的布置中。”

Mirna Kramar补充说：“对于现在正在运输的软化化学品，网络中的粗管就像交通网络中的高速公路一样，可以在整个生物体中快速运输。”“网络架构中印记的先前遭遇因此成为决定迁移未来方向的决定。”

基于通用原则的设计

“鉴于此活动网络的简单性，Physarum形成记忆的能力令人着迷。值得注意的是，生物体依赖于这样一种简单的机制，却以如此精细的方式对其进行控制。”卡伦·阿林（Karen Alim）说。

“这些结果为理解这种古老生物的行为提供了一个重要的谜题，同时也指出了行为的普遍原则。我们设想我们的发现在设计智能材料和构建在复杂环境中导航的软机器人中的潜在应用。” Karen Alim总结道。

参考：Mirna Kramar和Karen Alim在2021年2月23日在美国国家科学院院刊上发表的“活流网络的管径层次中的编码内存”一书。
10.1073 / pnas.2007815118


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