W badaniu zatytułowanym Molecular pathways for learning in the single-cell Stentor coeruleus, opublikowanym w czasopiśmie Current Biology, naukowcy udowodnili, że pierwotniak ten realizuje proces habituacji przy użyciu kaskad biochemicznych zależnych od wapnia i kinaz białkowych, uderzająco przypominających mechanizmy molekularne ludzkich neuronów.
Stentor bytuje przyczepiony do roślin wodnych, napędzając pokarm za pomocą wieńca rzęsek otaczających jego szerszy koniec. W odpowiedzi na nagłe potrącenie komórka w ułamku sekundy kurczy się w zwartą kulkę – manewr ten stanowi odruch ucieczkowy, lecz wiąże się ze znacznym wydatkiem energetycznym i przerywa żerowanie. Zjawisko habituacji, czyli wygaszania reakcji skurczowej na nieszkodliwe stukanie, opisywano u tego gatunku już w latach 20. XX wieku, jednak jego podłoże molekularne pozostawało zagadką.
Zespół z UCSF skonstruował zautomatyzowane stanowisko badawcze sterowane otwartym kodem źródłowym, które mechanicznie potrząsało szalkami z komórkami w stałym rytmie (zazwyczaj jedno uderzenie na minutę). W seriach treningowych trwających od godziny do nawet 12 godzin odsetek kurczących się komórek spadał do zera, a stan znieczulenia na bodziec utrzymywał się przez dziesiątki minut po ustaniu stymulacji.
Najbardziej zaskakujący wynik eksperymentu podważył dogmat neurobiologii dotyczący roli translacji w utrwalaniu śladów pamięciowych. W świecie zwierząt blokada syntezy nowych białek (np. u ślimaków morskich czy myszy) uniemożliwia formowanie pamięci długotrwałej. Kiedy jednak główna autorka pracy, dr Deepa Rajan, podała komórkom puromycynę lub cykloheksymid – standardowe inhibitory translacji – Stentor uczył się szybciej, pełniej i zachowywał stan habituacji znacznie dłużej niż komórki kontrolne.
Oznacza to, że u tego orzęska formowanie pamięci nie wymaga tworzenia nowych cząsteczek, lecz odwrotnie: to proces powrotu do wyjściowej wrażliwości (zapominanie) jest zależny od syntezy świeżych białek resetujących układ.
Szczegółowa analiza przeprowadzona we współpracy z Pacific Northwest National Laboratory oraz sekwencjonowanie RNA wspólnie z European Molecular Biology Laboratory (EMBL) w Heidelbergu ujawniły trzy kluczowe grupy cząsteczek sterujących tym zjawiskiem: białka wiążące wapń z motywem dłoni EF (EF-hand), fosfatazy odczepiające grupy fosforanowe oraz homolog kinazy CaMKII – enzymu powszechnie uznawanego w neurobiologii za kluczowy motor pamięci synaptycznej.
Dodanie jonów wapnia do wody przyspieszało habituację, z kolei inhibitor KN-93, blokujący CaMKII i kanały wapniowe, drastycznie spowalniał proces uczenia, dokładnie tak jak w komórkach nerwowych ssaków. Zgodnie z opracowanym modelem, wnikanie wapnia do wnętrza orzęska aktywuje CaMKII, która znakuje fosforanowo mechanoreceptory powierzchniowe, wyciszając ich sygnalizację.
Dodatkowym, niezwykłym aspektem odkrycia jest dziedziczenie stanu pamięciowego: po podziale komórkowym komórki potomne zachowywały stan habituacji bez jakichkolwiek modyfikacji w genomie, przejmując chemicznie zmodyfikowane białka podzielone pomiędzy potomstwo. Odkrycie to wpisuje się w serię nowatorskich doniesień – takich jak badania nad pamięcią pulsu chemicznego w ludzkich komórkach nerkowych na New York University czy mechanizmy dotykowe u roślin pozbawionych układu nerwowego.
Jak sugeruje prof. Marshall, neurony zaawansowanych ewolucyjnie zwierząt mogły odziedziczyć fundamentalne szlaki pamięciowe bezpośrednio po pierwotnych jednokomórkowcach, które wykształciły zdolność autonomicznego uczenia się na długo przed pojawieniem się pierwszych organizmów tkankowych.
