长期以来，科学界普遍认为，要实现“联想学习”——也就是理解两个事件之间存在联系，例如刺激与反应之间的关联——至少需要某种形式的神经结构或大脑。然而，一项最新研究显示，生活在池塘底部的微小单细胞生物在没有任何神经系统的前提下，同样能够完成这类学习任务，可能颠覆人们对学习机制的传统认知。
这项尚未经过同行评审、已在预印本平台 BioRxiv 发布的研究指出，即便完全没有大脑或神经系统的单细胞生物，也可以表现出学习行为。论文合作者之一、哈佛大学认知神经科学家塞缪尔·格什曼（Samuel Gershman）在给 Refractor 的邮件中表示：“这一结果让我很意外，因为此前在这种生物身上并没有联想学习的证据，而其他单细胞生物的相关证据也颇具争议，我们原本并不知道实验会不会奏效。”
研究对象为一种名为蓝色喇叭虫（Stentor coeruleus）的原生生物，这是一种喇叭形的纤毛虫，体长约 1 毫米，肉眼勉强可见。其一端具有名为“固着器”（holdfast）的结构，用来附着在池底或其他表面，另一端布满纤毛，用于滤食。当它感知到周围环境出现扰动，例如捕食者接近时，会迅速将细长的身体收缩成接近球形，以此作为防御反应。
为了研究这一单细胞生物的学习过程，格什曼团队首先从环境中收集了数十个蓝色喇叭虫细胞，将其置于培养皿中并静置数小时，让细胞稳定附着。随后，研究人员借助一套特制装置，对装有细胞的培养皿底部施加精准控制的轻微敲击刺激。起初，大多数蓝色喇叭虫在感受到敲击时都会做出收缩反应，但随着敲击持续进行，响应的细胞数量逐渐减少，表明它们对这种重复刺激产生了“习惯化”，不再将其视为威胁。
接着，团队引入了所谓“配对协议”（pairing protocol）。在这一阶段，细胞先接收到一次较弱的敲击（通常只引起轻微收缩），一秒后再紧接着施加一次较强敲击。这组“弱刺激+强刺激”的组合每隔 45 秒重复一次，这一时间间隔对应蓝色喇叭虫在收缩后重新伸展所需的大致时间。在最初约 10 轮配对试验后，细胞会在弱敲击到来时直接产生明显收缩反应，但随着试验不断重复，这种反应又会逐渐减弱。格什曼指出，这种对弱刺激与随后强刺激建立关联并调整反应强度的过程，说明“单个细胞也能够实现相当复杂的学习算法”。
研究人员认为，这一发现可能改变人类对“学习”在进化史上起源时间的理解。格什曼在接受采访时表示，那些被认为属于高级形式的学习能力，很可能具有远比复杂神经系统更为古老的进化渊源。他提出疑问：“联想学习是否首先出现在拥有大脑的多细胞生物身上？也许并非如此。”
格什曼进一步指出，蓝色喇叭虫细胞与人脑神经元之间存在“许多相似之处”，这暗示我们的大脑或许仍在利用那些最早在单细胞生物中演化出来的学习机制。换句话说，人类复杂的认知与学习能力，可能在某种程度上继承了单细胞祖先的“原始算法”。目前，这项研究已作为预印本发表在 BioRxiv 上，未来经过同行评审后，有望在更广泛的学术与公众讨论中继续发酵。