Paired exposure to blue light and nutrient alters subsequent photo-avoidance in Physarum polycephalum
本研究は、モクセイ菌（*Physarum polycephalum*）が栄養素との反復的な対提示によって青色光への忌避感を緩和させ得ることを示す一方で、観察された行動変化については、追加の訓練による強化が見られないことや非連合的プロセスの寄与の可能性があることから、連合学習を決定的に裏付けるものではないことを示している。
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1世紀以上にわたり、科学者たちは、学習が神経系を持つ動物だけに許された特権であるかどうかについて議論を続けてきた。標準的な見解では、学習、特に2つの別々の出来事を結びつける能力には、脳が必要であるとされている。犬がベルの音が食べ物を予兆するものだと学習したり、ラットが音の後に電気ショックが来ることを学習したりする場合、一般的には、ニューロンが物理的に再配線されてその接続を形成していると考えられている。このプロセスは「連合学習」として知られ、複雑な認知の象格とみなされている。しかし、自然界には脳を全く持たない生物が溢れている。単細胞生物や単純な細胞ネットワークは、ニューロンを一つも持たずに、自らの世界を航行し、食物を見つけ、危険を回避している。数十年にわたって残っている疑問は、これらの単純な生命体が、単に本能的に反応すること以上のことができるのかどうかである。彼らは中立的な信号と報酬を結びつけるように学習し、過去の経験に基づいて行動を変えることができるのだろうか。もしそれが可能であれば、学習の根源はこれまで想像されていたよりも生命の樹のずっと深い場所にあり、おそらく複雑な脳ではなく、基本的な細胞メカニズムから生じていることを示唆することになる。
最近の研究において、研究者たちは「モジホコリ（Physarum polycephalum）」と呼ばれる驚くべき生物を用いて、このアイデアを検証しようと試みた。これは粘菌の一種であり、活動期には、広大な、黄色い、多核のネットワークとして広がっていく単細胞生物である。これには脳も神経も中央指令センターもないが、迷路を解いたり、食物の場所を記憶したりすることが知られている。学習能力を調査するために、科学者たちは、記憶の古典的なテストを模倣した実験を設計した。この場合、信号は青い光であり、これは粘菌が自然に嫌い、避けようとするものである。報酬は、好物であるオート麦であった。研究者たちは、青い光の中で繰り返しオート麦にさらされることで、粘菌が最終的に光を避けることをやめ、それを近くに報酬がある兆候として扱うようになるかどうかを調べたいと考えた。
実験は、青い光が粘菌にとって不快な刺激であることを確認することから始まった。皿の中に青い光のパッチを置いたとき、この生物はゆっくりと動き、広く広がり、照らされた領域を避けた。それは暗い場所を好み、光源から離れるように、幅広く扇状の形を保ちながら成長した。これがベースライン、つまり光は忌避対象であるという確立された状態である。次に、研究者は訓練フェ序を導入した。彼らは青い光のゾーンの中にオート麦の破片を置いた。粘菌は、食べ物に到達するために、不快な青い光を横切ることを余儀なくされた。彼らはこのペアリングを数回のセッションにわたって繰り返し、各ラウンドの間には暗闇の中で回復させるようにした。最後に、彼らは訓練された粘菌を、食べ物がない新鮮な皿の青い光の中に置いてテストを行った。
結果は、明確な行動の変化を示した。訓練された粘菌は、そこに見食いがあった経験のないものよりも、青い光のゾーンに入ることをはるかに好んだ。未訓練の対照群では1日以内に青い光のエリアに入ったのは半分だけだったのに対し、訓練を受けた個体のほぼすべてがそこに入った。さらに、訓練を受けた個体は、光に到達する速度も速かった。彼らの運動パターンも変化しており、広く、ためらいながら広がるのではなく、より目的を持って、光に向かってより直接的な経路を辿っていた。これは、報酬との繰り返しの経験が、光に対する彼らの反応自体を変えたことを示唆している。彼らは、報酬の信頼できる合図となったため、忌避刺激に対して効果的に耐性を獲得したのである。
しかし、研究者たちは、粘菌が犬や人間と同じ方法で学習したと主張することには慎重であった。この研究は、生物が厳密な意味での連合学習のように、光と食物の間に精神的な結びつきを形成したことを証明したわけではない。設計には、他のより単純な説明を排除できる特定の対照群が欠けていた。具体的には、研究者たちは、光と食物が同じ頻度で提示されるものの、予測可能な関連性を持たない「非対提示（unpaired）」「ランダム」「ヨーク（yoked）」といった対照条件が欠けていることを指摘した。この極めて重要な比較がなければ、行動の変化は、単に時間が経過して光に慣れたこと（馴化）によるものか、あるいは繰り返される取り扱いのストレスによる全般的な活動の増加によるものか、という可能性が残る。したがって、本研究は、粘菌の行動は学習のように見える変化を示したものの、その変化を真の連合性（associative contingency）に帰属させるには、証拠がまだ十分に強くない、と結論づけている。データによれば、その変化は迅速に起こり、多くの場合わずか2回の訓練セッション後に発生しており、繰り返しの回数が増えても強くなることはなかった。このパターンは、その効果が深い、持続的な記憶というよりも、環境への一時的な調整である可能性を示唆している。
研究は、粘菌の行動は学習のように見える変化を示したものの、その証拠は、それが真の連合学習であると言うにはまだ十分に強くない、と結論づけている。この生物は明らかに、過去の経験を用いて将来の行動を修正した。オート麦と組み合わされた後、自然な青い光への回避行動を緩和したのである。これは、脳を持たない生物における、洗練された形態の行動の柔軟性を示している。これは、経験に基づいて適応する能力には、必ずしも神経系を必要とせず、むしろ生物自身の複雑で分散的な性質から生じるものであることを示している。これらの知見は、記憶と適応の根源が、脳の進化よりもはるかに古く、広範囲に及んでいる可能性を示唆しており、私たちの理解に新たな層を加えている。
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