一种纤毛微生物所表现出的行为复杂性

《Nature Communications》：Embodied behavioural complexity in a ciliated microorganism

　　

摘要

大多数动物依靠神经信号来协调行为。然而，单细胞生物也能对刺激作出反应，甚至表现出认知行为。为了解释单细胞如何在没有神经编码的情况下协调并驱动复杂行为，我们研究了一种藻类原生生物——一种拥有四根极长纤毛的能动细胞。这种生物展现出令人惊讶的多种运动方式，这些运动方式源于其纤毛在游动时形成的紧密束状结构所产生的复杂动力学。我们利用高速定量活体成像技术，分析了纤毛摆动的可能模式，并得出了描述纤毛振荡的时间频率与空间波长之间关系的色散关系。进一步，我们重构了行为空间中的流形结构，发现尽管纤毛摆动模式多样且复杂，但其背后的行为流形本质上属于低维结构，且具有非平凡的拓扑特性。运动模式的动态转变被编码为该空间中的轨迹，从而将宏观行为状态简化为纤毛的微观动力学。