Computersimulaties suggereren dat individuele cellen – net als een complex zenuwstelsel – een soort leervermogen hebben.

Een kantoormedewerker die het tikken van een klok weet te negeren. De hond die op commando pootjes geeft. En een peuter die zijn eerst woordjes zegt. Het zijn allemaal voorbeelden van leren. Iets wat altijd alleen wordt toegeschreven aan dieren met een brein. Maar zou het kunnen dat een enkele cel de meest simpele vorm van leren – de gewenning uit het eerste voorbeeld – bezit? Computerbiologen van Harvard Medical School en het Center for Genomic Regulation (Barcelona) beweren in het vaktijdschrift Current Biology in ieder geval van wel.

Lees ook:

• Olifant wast zichzelf met tuinslang – en wordt gesaboteerd
• Hommels kunnen elkaar trucjes leren
• Kwallen hebben geen brein maar kunnen toch dingen leren

Trilhaardiertjes

Bij habituatie, of gewenning, leren we geleidelijk aan niet meer te reageren op een zich steeds herhalende prikkel. Dat kan – zoals het voorbeeld uit de inleiding – het tikken van een klok zijn. Maar ook flikkerende tl-buis op kantoor, een labeltje van je trui op je huid of een vieze geur. Deze prikkels hoor, zie, voel of ruik je na verloop van tijd niet meer. Gelukkig maar, anders zou je je de hele dag kapot ergeren aan van alles en nog wat.

Dat een complex zenuwstelsel aan habituatie doet, is duidelijk. Maar of ook eencellige organismen, zoals trilhaardiertjes, en individuele cellen in bijvoorbeeld ons eigen lichaam het kunnen, is al heel lang een onderwerp van debat onder wetenschappers.

Experimenten met het trilhaardiertje Stentor roeselii (zie foto boven dit artikel) begin twintigste eeuw leken wel uit te wijzen dat het organisme aan zo’n simpele vorm van leren doet. Maar de uitkomsten werden niet serieus genomen. Ook in de jaren 70 en 80 opperden onderzoekers het idee en recent verschenen er eveneens nieuwe publicaties over een soort habituatie bij cellen. Daar volgde kritiek op.

Moleculaire ‘vlaggetjes’

De huidige onderzoekers, onder leiding van Jeremy Gunawardena, besloten zich ook in het debat te werpen, maar kozen voor een compleet nieuwe aanpak. In plaats van lab-experimenten besloten ze computermodellen te maken van cellen van trilhaardiertjes en hun moleculaire circuits, die volgens hen moeten lijken op circuits van hersenencellen.

Het is bekend dat die moleculaire circuits heel wat kunnen. Zo kan een bepaald eiwit moleculaire ‘vlaggetjes’ plakken op andere eiwitten om ze ‘aan’ te zetten. En zijn er te veel eiwitten actief, dan kunnen ze ook weer worden uitgezet.

Remming en stimulatie

Het team richtte zich voornamelijk op twee soorten moleculaire circuits. De ene betrof een negatieve terugkoppeling, waarbij een product zijn eigen productie remt. Zoals een thermostaat die vanzelf uitgaat wanneer een bepaalde temperatuur is bereikt.

Het andere circuit was een incoherente voorwaartse koppeling. Een beetje een ingewikkeld concept waarbij het product zijn eigen productie stimuleert, maar tegelijkertijd ook (na bepaalde tijd) remt. Je kunt dit vergelijken met een nachtlampje dat aangaat zodra het beweging detecteert, maar ook een timer heeft zodat hij na bepaalde tijd weer uitgaat.

Heel vaak maar niet intens

Gunawardena en collega’s ontdekten dankzij de computer dat een cel de combinatie van ten minste twee van zulke circuits nodig heeft om te kunnen wennen aan prikkels. En aangezien trilhaardiertjes – en alle andere individuele cellen – deze circuits inderdaad bezitten, zouden ze dus volgens deze redenering allemaal aan habituatie doen.

Verder ontdekten de onderzoekers nog iets. Namelijk dat de habituatie het sterkst optreedt in het geval van heel vaak achter elkaar optredende maar niet té intense prikkels. En als de gewenning eenmaal weer voorbij is, reageren de cellen juist weer extra sterk op eenzelfde soort prikkel.

Kankerbehandeling

Tot nu toe klinkt dit allemaal erg theoretisch en dat is het natuurlijk ook. De resultaten moeten ook nog bevestigd worden door lab-experimenten. Maar in praktische zin kunnen we wel wat met deze kennis.

Denk bijvoorbeeld aan tumorcellen. Die zijn uitzonderlijk in het misleiden van het immuunsysteem door zich voor te doen als gezonde cellen. De afweercellen reageren na verloop van tijd niet meer op deze ‘nep-gezonde’ cellen. En dat komt dus mogelijk door leren via habituatie.

Als we een manier kunnen vinden om deze habituatie te verminderen, dan kunnen we het immuunsysteem weer gevoelig maken voor tumorcellen. Die worden dan weer als kwaadaardig gezien en worden daarna vernietigd. Dit zou wellicht een interessante nieuwe kankerbehandeling kunnen worden.

Bronnen: Current Biology, Center for Genomic Regulation via EurekAlert!, Harvard Medical School via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!