|
Клетки могут учиться без мозга и нервной системы
|
|
|
|
Согласно новым революционным открытиям, отдельные клетки могут быть способны к обучению без необходимости в сложном мозге и нервной системе. Исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне и Гарвардской медицинской школы в Бостоне недавно опубликовали свою работу в журнале Current Biology. В их работе представлены идеи, которые могут повлиять на будущее медицины, обеспечивая более глубокое понимание того, как конкретные заболевания могут избежать лечения.
|
|
Клетки учатся у окружающей среды.
|
|
|
|
“Вместо того, чтобы следовать заранее запрограммированным генетическим инструкциям, клетки превращаются в объекты, оснащенные очень простой формой принятия решений, основанной на изучении окружающей среды”, - объяснил соавтор Джереми Гунавардена, доцент кафедры системной биологии Гарвардской медицинской школы.
|
|
|
|
Наблюдения биологов касались привыкания, одной из простейших форм обучения, когда организм приспосабливается к повторяющемуся раздражителю и начинает игнорировать его. В качестве примеров можно привести тиканье часов или мигающий свет - раздражители, которые со временем отходят на второй план для человека, поскольку наше восприятие через некоторое время начинает их игнорировать.
|
|
|
|
|
|
|
С начала 20-го века биологи обсуждали исследования, указывающие на поведение, подобное обучению, у одноклеточных инфузорий. В 1970-х и 1980-х годах поиски набирали обороты, и текущие исследования предоставляют все больше доказательств способности клеток к обучению.
|
|
|
|
Изучение клеточного обучения
|
|
|
|
“Эти существа сильно отличаются от животных с мозгом”, - говорит соавтор Роза Мартинес из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне. “Обучение означало бы, что они используют внутренние молекулярные сети, которые каким-то образом выполняют функции, аналогичные тем, которые выполняют сети нейронов в головном мозге”.
|
|
|
|
“Никто не знает, как они могут это сделать, поэтому мы подумали, что этот вопрос необходимо изучить”, - сказал Мартинес.
|
|
|
|
Клетки обрабатывают информацию посредством биохимических реакций, таких как добавление или удаление фосфатной метки к белку, чтобы включать и выключать его подобно двоичному коду. Команда ученых смоделировала эти химические взаимодействия с помощью компьютерного моделирования. Биологи выбрали этот метод, потому что он позволял им тестировать многие сценарии быстрее, чем проводить многочисленные наблюдения. Математический анализ позволил исследователям расшифровать химический язык клетки, поскольку реакции на повторяющиеся раздражители менялись с течением времени.
|
|
|
|
Биологи сосредоточились на циклах отрицательной обратной связи и некогерентных циклах прямой связи, чтобы лучше понять, как клетки обрабатывают информацию и реагируют на нее. Циклы отрицательной обратной связи описывают информацию, которая сигнализирует о завершении процесса, например, термостат регистрирует желаемую температуру и выключает нагрев. В некогерентном цикле прямой связи сигнал включает и выключает процесс, например, когда индикатор, активируемый движением, включается после регистрации движения, но снова выключается по истечении заданного времени.
|
|
Свидетельство клеточной памяти
|
|
|
|
Данные, полученные в ходе моделирования, показали, что клетки комбинируют оба типа цепей для выработки четко отлаженных реакций, включая многие признаки привыкания, которые обычно регистрируются у более сложных форм жизни. Интересно, что некоторые реакции происходят намного быстрее, чем другие.
|
|
|
|
“Мы думаем, что это может быть своего рода ”памятью" на клеточном уровне, позволяющей клеткам как реагировать немедленно, так и влиять на будущие реакции", - объясняет доктор Мартинес.
|
|
Решение старой проблемы
|
|
|
|
Исследование также может помочь преодолеть разрыв между позициями когнитивистов и нейробиологов в отношении привыкания. Основываясь на наблюдаемом внешнем поведении, нейробиологи отмечают, что более частые и менее интенсивные стимулы коррелируют с большей привыкаемостью. Интерес ученых-когнитивистов к внутренним изменениям и формированию памяти говорит об обратном: менее частые и более интенсивные стимулы вызывают более сильное привыкание.
|
|
|
|
Новое исследование показывает, что происходит нечто более тонкое. Пока организм привыкает, более частые и менее интенсивные раздражители приводят к снижению реакции. Однако после привыкания он сильнее реагирует на те же высокочастотные раздражители меньшей интенсивности.
|
|
|
|
“Нейробиологи и когнитивисты изучают процессы, которые, по сути, являются двумя сторонами одной медали”, - говорит Гунавардена. “Мы считаем, что отдельные клетки могут стать мощным инструментом для изучения основ обучения”.
|
|
Будущее применение в медицине
|
|
|
|
Потенциальная ценность этой работы огромна. С точки зрения медицинской науки, способность раковых клеток вырабатывать устойчивость к химиотерапии или способность бактерий вырабатывать устойчивость к антибиотикам является серьезной проблемой. Однако понимание того, обучаются ли клетки и как это происходит, может значительно повысить эффективность таких методов лечения. Хотя необходимы дальнейшие исследования для подтверждения смоделированных прогнозов с использованием реальных наблюдений, первоначальные результаты являются многообещающими.
|
|
|
|
“Прорыв в вычислительной биологии заключается в том, чтобы сделать жизнь такой же программируемой, как компьютер, но лабораторные эксперименты могут быть дорогостоящими и отнимать много времени”, - объяснил Мартинес.
|
|
|
|
“Наш подход может помочь нам определить приоритеты экспериментов, которые с наибольшей вероятностью дадут ценные результаты, экономя время и ресурсы и приводя к новым открытиям”, - добавила она.
|
|
|
|
“Мы считаем, что это может быть полезно для решения многих других фундаментальных вопросов", - сказала Мартинес.
|
|
|
|
Источник
|
