Eencellig organisme zonder hersenen kan leren verbanden te leggen

Een eencellig organisme lijkt te kunnen voorspellen welke gebeurtenis er volgt op een eerdere gebeurtenis. Dat wijst erop dat je voor het leggen van verbanden, ofwel associatief leren, geen complex zenuwstelsel nodig hebt.

Het lijkt erop dat een simpel, trompetvormig eencellig organisme kan leren, hoewel het geen hersenen heeft.

De eenvoudigste vorm van leren is gewenning. Dit houdt in dat je geleidelijk minder sterk reageert op een onschuldige prikkel, zoals een geur of geluid. Alle dieren kennen deze vorm van leren. Gewenning is zelfs waargenomen bij planten.

LEES OOK

'Regulering genetisch gewijzigde gewassen is nog steeds te streng'

Nieuwe EU-wetgeving voorkomt nog steeds dat bepaalde soorten genetisch gewijzigde gewassen op de markt komen. Daardoor lopen we veel interessante toep ...

Gewenning is ook aangetoond bij sommige protisten: kleine organismen die geen dieren, planten of schimmels zijn. De meeste protisten, zoals de trompetvormige Stentor coeruleus en de slijmzwam Physarum polycephalum, zijn eencellig. Het gaat daarbij wel om complexe cellen met daarin een celkern, net zoals dieren en planten die hebben.

Een ingewikkeldere vorm van leren is het vermogen om verbanden te leggen tussen verschillende prikkels of gebeurtenissen, en te begrijpen dat de ene de ander voorspelt. Dit soort associatief leren kennen we van het wereldberoemde experiment van neuroloog Ivan Pavlov. Hij liet telkens een bel rinkelen wanneer hij zijn honden eten gaf. Uiteindelijk begonnen de honden al te kwijlen bij het horen van de bel, nog voordat ze eten zagen.

Vijverzwemmer

Nu hebben psycholoog Sam Gershman en zijn collega’s van de Harvard-universiteit in de Verenigde Staten vergelijkbare experimenten uitgevoerd met Stentor coeruleus. De resultaten laten zien dat deze eencellige waarschijnlijk ook associatief kan leren.

Stentor coeruleus leeft in vijvers en zwemt met behulp van trilharen die op zijn celoppervlak zitten. Met een lengte van 2 millimeter behoort dit organisme tot de reuzen onder de eencelligen. Aan het ene uiteinde van de cel hebben ze een ankervormige structuur waarmee ze zich aan een oppervlak kunnen vastklampen. Aan het andere uiteinde zit een trompetvormige voedingsorgaan.

‘Wanneer ze zich ergens aan vasthechten, voeden ze zich door voedsel te filteren. Als ze gestoord worden, trekken ze zich samen tot een bolvorm. In deze vorm kunnen ze zich niet voeden. Dus ecologisch gezien is het voordelig om zich zo min mogelijk samen te trekken, tenzij het echt nodig is’, zegt Gershman.

Leren zonder hersenen

Gershmans team gebruikte dit gedrag om te onderzoeken hoeveel Stentor kan leren. Eerst tikten ze stevig op de bodem van laboratoriumschaaltjes met daarin enkele tientallen Stentor-cellen. De meeste organismen reageerden door zich snel samen te trekken. Maar toen elke 45 seconden opnieuw werd getikt – in totaal zestig keer – reageerden steeds minder Stentor-cellen. Dit laat zien dat ze gewend raakten aan de prikkel.  

Vervolgens kregen de Stentor-cellen eerst een zwakke tik – een prikkel waar gewoonlijk maar weinig organismen op reageren. Een seconde daarna werd de zwakke tik opgevolgd door een sterke tik. Deze combinatie van tikken werd elke 45 seconden herhaald, wat ongeveer de tijd is die Stentor nodig heeft om zich weer te ontvouwen.

Na tien herhalingen van deze combinatie nam de kans dat de organismen direct na de eerste zwakke tik samentrokken eerst toe, en daarna weer af. ‘We zagen een piek in de grafiek waarbij het samentrekkingspercentage eerst stijgt en daarna daalt. Als je alleen een zwakke tik geeft, zie je dit niet’, zegt Gershman.

Volgens de onderzoekers betekent dit dat de Stentor-cel een zwakke tik leert koppelen aan een sterke tik. Daarmee is het de eerste protist die, voor zover bekend, associatief kan leren. ‘Dat roept de vraag op of schijnbaar eenvoudige organismen misschien kunnen denken op een manier die we normaal alleen associëren met veel complexere organismen met een brein’, zegt Gershman.

Nieuwe kijk

Volgens hem wijst dit gedrag er ook op dat associatief leren al lang geleden is ontstaan in de evolutie. De oorsprong van dit type leren gaat waarschijnlijk honderden miljoenen jaren terug, tot ver voor het ontstaan van meercellige zenuwstelsels.

Mogelijk zien we hier nog sporen van terug in onze eigen hersenen. Onderzoekers vermoeden dat onze hersencellen kunnen leren van prikkels die ze ontvangen zonder dat de verbindingen tussen deze cellen – de synapsen – veranderen. Het onderzoek aan Stentor zet dat idee nu kracht bij. Dit eencellige organisme heeft geen synapsen, maar kan toch leren. Dat gaat in tegen het gebruikelijke idee dat leren en het leggen van verbanden juist afhankelijk zijn van zulke veranderingen in de hersenen.

‘Het is fascinerend dat een eencellig organisme zulke complexe dingen kan doen, waarvan we dachten dat er een brein voor nodig was’, zegt natuurkundige Shashank Shekhar van de Emory-universiteit in de VS. Hij toonde in ander onderzoek aan dat Stentor zich samenklonteren tot groepjes om efficiënter te kunnen eten.

Sekhar denkt dat andere eencellige organismen misschien ook in staat zijn tot associatief leren. ‘Mijn onderbuikgevoel zegt: als één organisme het kan, dan zullen er vast meer zijn die het ook kunnen’, zegt hij.   

Als een organisme leert, betekent dit dat het op de een of andere manier herinneringen moet kunnen opslaan. Hoe Stentor dat doet, is nog niet bekend. Gershaman vermoedt dat het te maken heeft met receptoren die reageren op aanraking. Die receptoren reageren door calcium de cel binnen te laten stromen, waardoor de elektrische spanning in de cel verandert en Stentor zich samentrekt. Hij suggereert dat sommige receptoren na herhaalde prikkels op de een of andere manier worden aangepast en gaan werken als een soort schakelaar die de samentrekking stopt.