水母尽管没有集中的大脑，却表现出与人类和其他复杂生物相似的高级学习能力，挑战了关于神经学习过程的传统观念。

科学家们在9月22日的《当代生物学》杂志上首次报告说，即使没有中央大脑，水母也能像人类、老鼠和苍蝇一样从过去的经验中学习。他们训练加勒比箱形水母(Tripedalia cystophora)学会发现和躲避障碍物。这项研究挑战了先前认为高级学习需要集中大脑的观点，并揭示了学习和记忆的进化根源。

简单生物的复杂视觉

这些看似简单的水母比指甲还小，但它们有着复杂的视觉系统，钟状的身体上嵌着24只眼睛。这种动物生活在红树林沼泽中，它利用自己的视力在浑浊的水中穿行，在水下树根周围转弯，诱捕猎物。科学家们证明，水母可以通过联想学习获得避开障碍物的能力，这是一个有机体在感觉刺激和行为之间形成心理联系的过程。

加勒比箱形水母。来源:Jan Bielecki

“学习是神经系统的巅峰表现，”第一作者、德国基尔大学的Jan Bielecki说。他说，为了成功地教会水母一种新把戏，“最好利用它们的自然行为，一些对动物有意义的东西，这样它们就能充分发挥潜力。”

模拟学习环境

为了重现水母的自然环境，研究人员在一个圆形水箱上装饰了灰色和白色的条纹，灰色的条纹模仿了远处红树林的根。他们观察了鱼缸里的水母7.5分钟。起初，水母游向这些看似遥远的条纹，并经常撞到它们。但在实验结束时，果冻与墙壁的平均距离增加了约50%，成功避免碰撞的旋转次数增加了四倍，与墙壁的接触减少了一半。研究结果表明，水母可以通过视觉和机械刺激从经验中学习。

加勒比箱形水母生活并以水下红树林的树根为食。来源:安德斯·格拉姆

“如果你想理解复杂的结构，那么从尽可能简单的开始总是好的，”丹麦哥本哈根大学的资深作者安德斯·加姆说。“看看水母中这些相对简单的神经系统，我们有更高的机会了解所有的细节，以及它们是如何结合在一起执行行为的。”

破译学习中心

然后，科学家们试图通过分离水母的视觉感觉中心(rhopalia)来确定水母联想学习的潜在过程。这些结构中的每一个都有六只眼睛，并产生控制水母脉冲运动的起搏器信号，当动物从障碍物转向时，这种脉冲运动的频率会飙升。

研究人员展示了静止的金石移动灰色条来模仿动物接近物体的方式。这个结构对浅灰色的条形结构没有反应，认为它们是遥远的。然而，在研究人员用微弱的电刺激训练rhopalium后，当栅栏靠近时，它开始产生躲避障碍物的信号，以响应浅灰色的栅栏。这些电刺激模拟了碰撞的机械刺激。研究结果进一步表明，水母的联想学习需要结合视觉和机械刺激，而菱形体是学习中心。

未来的发展方向

接下来，研究小组计划更深入地研究水母神经系统的细胞相互作用，以梳理记忆的形成。他们还计划进一步了解铃铛中的机械传感器是如何工作的，以描绘出动物联想学习的完整画面。

“这些动物的学习速度之快令人惊讶;这和高级动物的速度差不多，”Garm说。“即使是最简单的神经系统似乎也能够进行高级学习，这可能是在神经系统进化初期发明的一种极其基本的细胞机制。”

有关这项研究的更多信息，请参见《水母的惊人智慧改变了我们对大脑的基本理解》。

参考文献:《箱形水母的联想学习》2024年9月22日，《当代生物学》。DOI: 10.1016 / j.cub.2024.08.056

这项工作得到了德国研究基金会(DFG)、丹麦研究委员会(DFF)和Villum基金会的支持。