「連想学習」、つまり、刺激と反応の間のつながりなど、2 つの出来事の間につながりがあることを理解するには、少なくとも何らかの形の神経構造、つまり脳が必要であるということは、科学界で長い間広く受け入れられてきました。しかし、新しい研究では、池の底に生息する小さな単細胞生物も、神経系を持たずにそのような学習課題を完了できることが示されており、これは学習メカニズムについての人々の伝統的な理解を覆す可能性がある。

この研究はまだ査読されておらず、プレプリントプラットフォームBioRxivに公開されているが、脳や神経系を持たない単細胞生物でも学習行動を示す可能性があることを示している。ハーバード大学の認知神経科学者で論文の共著者の一人であるサミュエル・ガーシュマン氏はRefractorへの電子メールで次のように述べた。「この生物ではこれまで連合学習の証拠がなかったし、他の単細胞生物における関連する証拠も物議を醸しているので、この結果には驚いた。実験がうまくいくかどうかは分からなかった。」

研究の対象となったのは、ブルートランペットワーム（Stentor coeruleus）と呼ばれる原生生物で、体長約1mmの肉眼ではかろうじて見えるラッパ状の繊毛虫である。一方の端にはプールの底や他の表面に取り付けるために使用される「ホールドファスト」と呼ばれる構造があり、もう一方の端は濾過摂食のための繊毛で覆われています。捕食者の接近など周囲の環境の変化を感知すると、防御反応として細い体を球形に近い形に素早く縮めます。

この単細胞生物の学習プロセスを研究するために、ガーシュマンのチームはまず環境から数十個のブルートランペットワームの細胞を収集し、それらをペトリ皿に置き、細胞が安定して付着できるように数時間放置した。次に研究者らは、特別な装置を使用して、細胞が入っている培養皿の底に正確に制御された穏やかなタッピング刺激を加えました。最初は、ほとんどの青いラッパ虫はタップを感じると収縮しますが、タップが続くと、反応する細胞の数が徐々に減少します。これは、この繰り返しの刺激に「慣れ」てしまい、それを脅威とは見なされなくなったことを示しています。

次に、チームは「ペアリング プロトコル」と呼ばれるものを導入しました。この段階で、細胞は弱いノックを受け（通常はわずかな収縮しか引き起こさない）、その 1 秒後にさらに強いノックが続きます。この「弱い刺激 + 強い刺激」の組み合わせを 45 秒ごとに繰り返しました。これは、アオラビムシが収縮してから再び伸びるまでにかかるおおよその時間に相当します。最初の 10 ラウンドほどのペアリング試行の後、細胞は弱いノックにすぐに反応し、顕著な収縮を示しましたが、この反応は試行が繰り返されるにつれて徐々に弱まりました。ガーシュマン氏は、弱い刺激とそれに続く強い刺激との関連性を確立し、反応の強度を調整するこのプロセスは、「単一細胞でも非常に複雑な学習アルゴリズムを実装できる」ことを示していると指摘する。

研究者らは、この発見が進化の歴史における「学習」の起源についての人類の理解を変える可能性があると信じている。ガーシュマン氏はインタビューで、高度な学習形態と考えられているものは、複雑な神経系よりもはるかに古い進化的起源を持つ可能性が高いと述べた。彼は、「連合学習は脳を持つ多細胞生物で初めて現れたのでしょうか？おそらくそうではないでしょう。」と尋ねました。

ガーシュマン教授はさらに、ラッパ虫の細胞と人間の脳ニューロンの間には「多くの類似点」があると指摘し、単細胞生物で最初に進化した学習メカニズムを私たちの脳が今も活用している可能性があることを示唆した。つまり、人類の複雑な認知能力や学習能力は、単細胞の祖先の「独自のアルゴリズム」をある程度受け継いでいるのかもしれない。現在、この研究はプレプリントとして BioRxiv に公開されています。今後の査読を経て、より広範な学術的および公的議論の中で発酵が進むことが期待されます。