营养记忆、鹿与一件独特的科学标本

# 生命形态，心智形态 | 迈克尔·莱文博士：营养记忆、鹿，以及真正独特的科学对象 来源：https://thoughtforms.life/trophic-memory-deer-and-a-truly-unique-scientific-object/ 我收集古怪的科学物件。这篇博文讲的是一些真正独特的材料——它们很可能再也无法被复制： 在1960年代至1990年代期间，安东尼·B·布本尼克和乔治·A·布本尼克父子团队做出并探索了一项非凡的发现(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=5883952)。他们研究了鹿角——这种巨大的结构每年脱落并重新生长。这个过程(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22457177/)本身就令人惊叹，因为它表明大型成年哺乳动物*确实*具有强大的再生能力，能以每天高达1-1.5厘米的速度生长骨骼、血管、神经和鹿茸皮（皮肤）。请注意，鹿角不同于牛角，牛角结构简单得多且不会再生。这对再生医学具有重大意义，并且彻底推翻了人们普遍认为的哺乳动物在成年后根本无法再生复杂结构的观点。 但布本尼克父子的发现更为深刻：营养记忆（trophic memory）。他们发现，如果在鹿角分枝结构的某个特定点发生损伤，它会形成一个小的愈伤组织并愈合；鹿角会正常脱落，而在下一年，新的鹿角会长出来，*并且在上一Year发生损伤的位置长出一个额外的分支（叉枝）*。这是我在教授发育生物学学生时最喜欢引用的例子之一，话题是“下面是一些你发育生物学教科书里没有的东西”。利用我们通常在该领域使用的工具——化学梯度、基因调控网络、分子通路——请试着构建一个模型：损伤点是如何在复杂结构的某个位置被感知的，然后整个结构脱落，而记忆又以某种方式保留下来——在哪里？在头骨上的生长板里？然后数月之后，一个新的结构出现了，其模式不仅由基因编码的蛋白质生产的涌现结果决定（这已经很难解释了），而且还由*已消失细胞的先前生理经验*决定，这种经验告诉骨骼生长动力学在某个非常特定的位置额外拐弯并向外生长。这种效应在几年后消失，鹿角恢复正常。这里有一张图片来自丹尼尔·洛博(https://www.daniel-lobo.com/)和我就此主题发表的论文(http://rsif.royalsocietypublishing.org/cgi/reprint/rsif.2013.0918?ijkey=r6H7rxetYCz9r9k&keytype=ref)，该论文还讨论了其他例子，如蟹爪等。 这种模式记忆——我的团队将其研究为一种在生理和形态空间(https://www.mdpi.com/1099-4300/24/6/819)中运作的细胞集体智能中的学习过程——是一个迷人且极其重要的结果，因为它揭示了基因编码硬件的动态生理可塑性。令人惊讶的是，几乎没有人谈论、教授或撰写关于它的内容。 2005年，我通过电子邮件联系了当时在加拿大安大略省圭尔夫大学的乔治·A·布本尼克，讨论这一现象。最终他告诉我，他需要处理掉他的鹿角收藏——我是否有兴趣继承？当然有！我们收到了13箱精心标注的鹿角。下面是我团队中的一位博士后正在整理第一批鹿角： 想想每次实验是多么困难和耗时：你需要追踪每一只动物（而且是鹿，不是果蝇！），花几年时间获取基线数据，然后在骨头上做切口，再记录接下来5-6年的营养记忆，之后再记录几年的正常生长。而且必须在许多动物身上进行，才能获得统计显著性。箱子里满是标有“Lenny 1986”等字样的套组。想象一下，现在要为这类研究争取资金有多难——鉴于现代强调快速成果，谁的职业生涯能支撑起这样的数据集？这很可能再也无法复制了。我们把所有鹿角都拿到了塔夫茨大学兽医学院进行CT扫描。其中一些挂在我实验室的门厅里。那时，我们就鹿角的生物电、对称性、激素、行为以及其他方面进行了许多讨论。他是一位百科全书式、热情、深刻的学者，总是乐于分享他的智慧并开拓新的方向。遗憾的是，乔治于2018年去世(https://link.springer.com/article/10.1007/s10344-018-1197-7)，但他的遗产永存，我预测它将会产生巨大影响。 我们为研究营养记忆创建了一个更容易处理的模型系统——涡虫（planarian flatworms），它们能再生整个身体。2008年，我让波士顿大学的学生拉里莎·沃兹尼亚克（在我实验室做研究）将我们通过短暂调节其生物电模式记忆而创造出的双头涡虫，在纯净水中重新切割。据我所知，以前没人做过这个实验（尽管托马斯·亨特·摩根等人在1903年左右就见过双头涡虫），很可能是因为看上去太明显了：拥有正常基因组，如果异位头被切除，它当然会恢复正常。但通过认真对待形态记忆的概念，我们得以发现(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001216060901402X)，它们的碎片再次再生为双头，尽管其遗传学未经编辑。随后我实验室的涅斯托尔·奥维耶多(https://sites.ucmerced.edu/oviedolab/)和诸隈淳二(https://www.linkedin.com/in/junji-morokuma/)对这种现象进行了研究，涉及多轮切割。这种双头性在动物正常的繁殖方式（分裂+再生）中持续存在，意味着它在代际间是稳定的——一种非常规的遗传。审稿人要求我们从原始论文中去掉关于这对进化影响的讨论，但我在此处(https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1113/jphysiol.2014.271940)稍微讨论了一下，并在更广泛的意义上，关于生命媒介（细胞集合体）能力对进化的重要性，阐述于此(https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-023-04790-z)。 这项研究随后由法伦·杜兰特(https://www.linkedin.com/in/fallondurant)在2019年跟进，她实际上发现(https://authors.elsevier.com/sd/article/S0006349517304277)了第三种我们能够制造的涡虫，除了单头和双头之外：一种不稳定的隐性涡虫，它*无法下定决心*(https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0765)，并且像双稳态视错觉(https://en.wikipedia.org/wiki/Multistable_perception)一样，在被切成碎片时随机地长出1个头或2个头（永久如此）；事实上，*从同一只涡虫身上切下的多个碎片*会抛硬币决定长出1个头还是2个头：每个器官内的细胞共享着它们正在构建的同一个故事，但不同涡虫之间的细胞则不然，它们可能对自己属于单头还是双头动物持有不同意见。 与鹿的情况一样，大尺度目标形态可以被修正——模式记忆可以被重写——通过短暂的生理经验。基因设定了具有默认结果模式的硬件，但像任何一个好的认知系统一样，它拥有一个可重写的、能从经验中学习的记忆。 “我应该有多少个头？”的记忆存储在一个生物电回路中（参见此处(https://www.cell.com/biophysj/fulltext/S0006-3495(19)30065-7)和此处(https://www.cell.com/chemistry-biology/abstract/S1074-5521(10)00447-3)，由温迪·比恩(https://wmich.edu/biology/directory/beane)、法伦·杜兰特以及我团队中的其他人表征）。利用电压敏感染料成像，我们现在实际上可以*看到*组织中编码的未来再生必须构建的生物电模式——一种基本的反事实记忆，可能构成高级大脑进行心理时间旅行（即思考和记忆当下并不真实的事物的能力）的进化基础。就像神经科学家试图读取和解码活体大脑中的记忆一样，我们现在可以读取并写入（一点点……）形态发生中集体智能的解剖目标和记忆。 我第一次在会议上展示这个结果时——基因野生型的涡虫却拥有彻底不同、被重写、*永久*改变的目标形态——有人站起来说这不可能，“那些动物根本不存在”。以下是由诸隈淳二拍摄的视频，展示了它们的样子。有时两个头合作，有时不合作；可以设想许多行为神经科学研究项目，关于它们共享什么信息，以及作为一个拥有多个大脑的生物是什么感觉。 虽然双头动物是永久性改变的，但我们另一个例子——可以被制造长出头部(https://www.mdpi.com/1422-0067/16/11/26065/pdf)、属于进化上相距1亿到1.5亿年的不同物种的涡虫——确实会在几个月后恢复正常，就像鹿角一样。参见这篇论文(https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19420889.2016.1192733)对此主题的讨论。 我们与杰西卡·怀特德(https://hsci.harvard.edu/people/jessica-whited-phd)合作的研究中还发现了一个脊椎动物模型：美西螈的肢体多次截肢后，最终停止再生(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160616308739)。我们尚不清楚这是否有一个经典的解释（它们耗尽了某种限速且不可更新的细胞群），还是一个更有趣的解释，基于学习机制以及根据经验修订目标形态。 这类工作——始于对田野中一只不小心在金属栅栏上伤到鹿角的随机鹿的观察（以及细致的后续研究），进而延伸至细胞集合体中模式记忆的分子生物物理学——对于理解基因组硬件与（可重新编程的）生理软件之间的关系具有巨大意义，后者决定了导航解剖空间的集体智能所遵循的策略。未来的再生医学方法必将得益于利用这种能力并针对其众多紊乱进行治疗。