脳なしで学ぶ: バクテリアがどのように記憶を保存し、人工ニューラルネットワークとして過去を思い出すのか
学習には頭脳が必要だと思われがちです。しかし、学習は必ずしもニューロンに依存するわけではない広い概念です。 生物が過去の経験からの情報を使用して将来の決定を形作る場合、それは学習でもあります。 PRX Life 誌に掲載された私の研究室の研究では、たとえ 1 個の細菌であっても、経験から学び、過去の記憶を保存し、その記憶を使用して将来に備えることができることが示されています。 栄養素を監視する 細菌は、常に変化する環境とさまざまな時間スケールの中で生きています。たとえば、人間の腸内では、栄養素レベルが増減し、温度が変化し、抗生物質の脅威が去来します。 細菌は生き残るために、最近経験したことに関する有用な情報を保持することで、今起こっていることに迅速に対応する必要があります。適応が早すぎると、細菌は状況の変化に対して脆弱になりますが、忘れやすいと、再発する脅威を予測できなくなります。 細菌はこのバランスをどのように管理しているのでしょうか?この疑問は、生命システムがどのように情報を処理し、変化する環境に適応するかを研究する計算生物物理学者として、私にとって興味深いものでした。 細菌などの単細胞生物が過去の経験から学習できるかどうかを調査するために、同僚と私はいわゆるマイクロ流体デバイスを使用して数万人の個体の行動を追跡しました。 大腸菌 細胞の栄養供給をさまざまな速度でオンまたはオフにします。 大腸菌 驚くべき速度で成長する可能性があります。 エリック・エルベ、クリストファー・プーリー/農務省 私たちは、細菌が環境内の現在の栄養レベルに反応するだけでなく、変化する条件に対処するために栄養履歴も追跡していることを発見しました。 細菌が単に現在の環境に反応しているのであれば、以前の環境が安定していたか急速に変動していたかに関係なく、突然の食物のパルスに対してまったく同じように反応するでしょう。逆に、同じ栄養素の流入にさらされた場合、食と飢餓の環境を経験したばかりの細菌は、安定した環境の細菌よりもはるかに早く適応しました。 両方の細菌の当面の状況は同一であったため、我々は、それらの行動の違いは、現在に対する単純な反応ではなく、保存された過去の内部記録に由来するに違いないと推論しました。 言い換えれば、細菌の過去の経験が現在の行動を形成し、学習しているのです。 細菌が記憶を保存する場所 しかし、これらの細胞はどこにこの情報を保存していたのでしょうか? 細菌が栄養環境の変化にどのように反応するかをより深く理解するために、私のチームと私は、細菌の増殖を制御する内部分子ネットワークの数学的モデルを構築しました。私たちのモデルは、細菌がさまざまな栄養環境でどのように行動するかを再現しただけでなく、細菌の記憶がどこに存在する可能性があるかを明らかにしました。 私たちのモデルは、リボソームと呼ばれる細胞の構成要素が記憶保存部位の可能性があることを指摘しました。リボソームは細胞の分子工場であり、タンパク質を構築し、細胞の成長速度を決定します。細菌の記憶は増殖速度の変化として明らかになったので、私たちのモデルは、増殖を決定する工場内でこの記憶の起源を突き止めました。モデル内でテストした他のコンポーネントでこの動作が再現されたものはありませんでした。 リボソームには、栄養素の変化に素早く反応するものもあれば、よりゆっくりと変化するものもあります。私たちは、反応が早い人は現在起こっていることを追うのに対し、反応が遅い人は過去の痕跡を保持していると推論しました。これらは一緒になって、数分から数時間までの多くの時間スケールにわたる記憶を細胞に与えます。 細菌とAIシステム 私たちの数学モデルを使用したところ、この分子システムはリカレント ニューラル ネットワーク…
コロラド対ジョージア工科大学
