Physarum: демонстрация пространственной памяти без мозга, принятие решения без нервной системы

У слизевика Physarum polycephalum нет мозга и вообще нервной системы, однако это не мешает ему ориентироваться в окружающей среде, менять поведение после опыта и находить эффективные маршруты к пище. Новое исследование добавило к этому списку ещё один интересный результат: учёные обнаружили признаки пространственной памяти у организма, состоящего фактически из одной гигантской клетки.

Исследователи использовали Т-образные лабиринты, напечатанные на 3D-принтере, и наблюдали за поведением 1274 плазмодиев Physarum. В экспериментах проверяли, как организм ведёт себя при последовательных вынужденных поворотах на разных расстояниях — 3, 7 и 14 мм, а также в отдельном варианте лабиринта с двойным поворотом.

Значимый эффект обнаружили только в самом коротком варианте лабиринта с расстоянием 3 мм — причём независимо от направления поворота. Physarum демонстрировал склонность менять направление следующего поворота, то есть поведение соответствовало известному в исследованиях памяти феномену спонтанного чередования. На средних и длинных дистанциях, как и в лабиринте с двойным поворотом, статистически значимого эффекта не нашли даже с учётом поправки на множественные сравнения — то есть результат не случайное совпадение, а вполне конкретный, ограниченный масштабом эффект. Авторы связывают это с тем, что принятие решения у Physarum, судя по всему, локализовано не во всём организме сразу, а именно в активном движущемся крае плазмодия.

Важно, что речь здесь не идёт о доказательстве человеческого типа памяти или сознательного «вспоминания». Авторы рассматривают результат как свидетельство возможной кратковременной пространственной памяти у организма без нервной системы.

Physarum polycephalum относится к слизевикам и на определённой стадии жизненного цикла представляет собой плазмодий — одну крупную многоядерную клетку. Вместо мозга и нейронов у него работает распределённая система: организм постоянно меняет форму, перемещает цитоплазму внутри своих каналов и реагирует на химические, световые и другие сигналы окружающей среды.

При движении Physarum оставляет после себя слизистый след. Такая система может служить своеобразной внешней пространственной информацией: организм способен учитывать уже исследованные участки и менять дальнейшее поведение.

Исследования прошлых лет также показывали у Physarum привыкание к повторяющимся раздражителям. В частности, эксперименты продемонстрировали форму привыкания — организм со временем переставал так сильно реагировать на определённый неприятный стимул.

Поэтому учёные всё чаще используют Physarum для изучения так называемой минимальной или базовой когнитивности — способности живой системы воспринимать информацию, обрабатывать её и менять поведение без привычной нам нервной системы. Обзор исследований 2023 года относит к изучаемым у Physarum процессам восприятие, навигацию, принятие решений, память и обучение.

От слизевика к алгоритмам

Интерес Physarum для компьютерных наук заключается не только в необычной биологии. Слизевик способен самостоятельно перестраивать сеть своих каналов в зависимости от расположения источников пищи и окружающих препятствий. Именно этот принцип вдохновил исследователей на создание алгоритмов оптимизации.

В одном из известных экспериментов Physarum разместили рядом с источниками пищи, расположенными по аналогии с городами вокруг Токио. Получившаяся сеть оказалась похожа на существующую железнодорожную инфраструктуру японской столицы. На основе такого поведения впоследствии создавались математические модели для решения задач построения и оптимизации сетей.

Получается любопытная ситуация: организм без мозга способен решать задачи, которые мы обычно связываем с вычислениями, — искать маршруты, выбирать направления и перестраивать внутреннюю сеть в зависимости от окружающей среды.

Это не означает, что слизевик «думает как человек». Скорее, исследования Physarum показывают, что сложное адаптивное поведение может возникать из распределённых процессов без центрального управляющего органа.

Именно поэтому слизевик интересен не только биологам. Его поведение изучают и специалисты по вычислительным методам: принципы, которые природа использует для навигации и оптимизации, можно попытаться перенести в алгоритмы и автономные системы.

Что это меняет в понимании интеллекта

Главный вопрос здесь не в том, является ли слизевик «разумным» в человеческом смысле. Гораздо интереснее другое: обязательно ли для запоминания информации, выбора поведения и решения некоторых задач нужен мозг?

Эксперименты с Physarum показывают, что некоторые элементы когнитивного поведения могут существовать на гораздо более простом биологическом уровне. При этом исследователи продолжают спорить о том, насколько корректно называть такие процессы памятью, обучением или интеллектом.

Именно эта граница между биологией и вычислениями делает Physarum необычной моделью для науки. Возможно, чтобы понять происхождение интеллекта, иногда полезно изучать не самые сложные мозги, а наоборот — организмы, у которых мозга вообще нет.

Источник: PubMed