إعداد تجريبي جديد لدراسة سلوك الحيوان والتعلم.
قد تبدو تنقلاتك إلى العمل شيئًا عاديًا ، لكنها مثال رائع على المهام المعقدة التي يجب أن تقوم بها أدمغتنا يوميًا: التنقل ، والذاكرة ، واتخاذ القرار ، والمعالجة الحسية ، وما إلى ذلك. غالبًا ما يستخدم الباحثون نماذج حيوانية ، مثل الفئران ، لدراسة العمليات العصبية الكامنة وراء هذه السلوكيات. ومع ذلك ، فإن العديد من المهام المستخدمة لدراسة التعلم في الفئران ليست "طبيعية" - فهي ليست سلوكيات قد يقوم بها الفأر خلال حياته.
أجرى باحثو معهد كاليفورنيا للتقنية الآن دراسة قاسوا فيها كيفية تنقل الفئران في متاهة معقدة ، مما يشير إلى إطار جديد يمكن بواسطته دراسة سلوكيات الحيوانات المعقدة والتعلم. تعلمت الفئران بسرعة كيفية التنقل في هذه البيئة غير المألوفة بنحو 1,000 مرة أسرع من الفئران التي تتعلم عمومًا مهام بسيطة ولكنها غير طبيعية. الدراسة لها آثار على كيفية تفكيرنا في دور الدماغ والجسم في الذكاء. ومن المثير للاهتمام ، أن أداء طلاب الدراسات العليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كان أداءً مشابهًا للفئران في التنقل في نسخة محاكاة من نفس المتاهة.
البحث هو تعاون بين مختبرات ماركوس مايستر (دكتوراه '87) وآن ب. وأستاذ بنجامين ف. بياغيني للعلوم البيولوجية ، وبييترو بيرونا ، أستاذ الهندسة الكهربائية ألين إي باكيت. ظهرت ورقة تصف الدراسة على الإنترنت في المجلة موبايلي elife في يوليو 21، 2021.
يناقش طلاب الدراسات العليا ماثيو روزنبرج وتوني زانج الإعداد التجريبي الجديد لمراقبة كيفية تعلم الفئران في بيئة طبيعية. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
تخيل أن عجلة القيادة موضوعة أمامك. عندما يضيء ضوء على يسارك ، يجب أن تدير العجلة إلى اليسار ؛ عندما يضيء ضوء على يمينك ، يجب أن تدير العجلة إلى اليمين. بالنظر إلى أن هناك قرارين فقط يجب اتخاذهما - استدر لليسار أو لليمين - فربما لن يستغرق الأمر وقتًا على الإطلاق لتعلم هذه المهمة البسيطة. ومع ذلك ، قد يحتاج فأر المختبر إلى حوالي 10,000 تجربة ليتعلم بشكل صحيح كيفية القيام بمهمة كهذه. حتى في هذه الحالة ، قد يتمكن الماوس من تصحيحها بنسبة 80 بالمائة فقط من الوقت. المهمة ، على الرغم من أنها تبدو بسيطة بالنسبة للبشر ، ليست مهمة طبيعية جدًا بالنسبة للفأر.
يقول مايستر: "على مدى السنوات القليلة الماضية ، كنا نحاول تطوير مناهج تجريبية تحترم تعقيد سلوك الحيوان الطبيعي ، أشياء أكثر تشابهًا مع ما تفعله الحيوانات في العالم الحقيقي".
بقيادة طلاب الدراسات العليا ماثيو روزنبرج وتوني زانج ، طور الفريق متاهة معقدة للفئران لاستكشافها ، وتضم 63 تقاطع قرار و 64 نقطة نهاية محتملة. داخل المتاهة يوجد منفذ مائي يوزع قطرة صغيرة من الماء. أعطى الباحثون لفأرًا منفردًا إمكانية الوصول إلى المتاهة من قفصه المنزلي وسمحوا له بالاستكشاف كما يحلو له لليلة واحدة. قامت كاميرا فيديو بتتبع حركات الفأرة وقياس السلوك الاستكشافي.
يقول مايستر: "في هذه الدراسة ، نعرض الماوس لبيئة متاهة معقدة ، ونشغل الكاميرا ، ونخرج من الغرفة". "نحن لا نمارس أي تأثير على الحيوان. لقد عدنا للتو بعد سبع ساعات ونحلل مقاطع فيديو لما فعله الفأر خلال تلك الفترة. نحن نسمح للفأر باتخاذ أنواع القرارات التي تتخذها الفئران بدلاً من إجبارها على قبول بعض المهام المجردة التي لا علاقة لها حقًا ".
في حوالي نصف هذه التجارب ، كان الفأر عطشانًا ويمكن الافتراض أن الدافع وراءه هو الدافع للعثور على الماء. في النصف الآخر ، كانت الفئران مشبعة. على الرغم من أن الفأر المتعطش لا يعرف بوجود ماء بداخله ، فإنه سوف يستكشف المتاهة بطريقة منهجية. بعد اكتشاف منفذ المياه لأول مرة ، يأخذ الفأر في المتوسط 10 محاولات فقط لمعرفة الطريق المباشر الأكثر كفاءة إلى الميناء من قفصه الرئيسي. يتطلب المسار الأكثر مباشرة ستة قرارات صحيحة.
اتجهت جميع الفئران التسعة عشر المستخدمة في الدراسة إلى اتباع "قواعد استكشاف" معينة. على سبيل المثال ، عند مواجهة منعطف ، يمكن للماوس أن يختار الانتقال إلى اليسار أو اليمين أو العودة بالطريقة التي جاء بها. كان لدى جميع الفئران التسعة عشر تفضيل قوي لمواصلة التقدم وعدم الالتفاف. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الفئران إلى التناوب في أخذ الحقوق والحقوق عند الاستكشاف. لا يزال يتعين اكتشاف ما إذا كانت هذه "القواعد" ناتجة عن التجارب أو إذا كانت مرتبطة وراثيًا في الدماغ.
قام روزنبرغ وتشانغ بعد ذلك بإنشاء نسخة طبق الأصل من المتاهة كلعبة فيديو ودعوا زملائهم في المختبر من طلاب الدراسات العليا لاستكشاف المتاهة رقميًا. كان أداء الطلاب مشابهًا لأداء الفئران ، حيث تعلموا كيفية التنقل بعد عدد مماثل من التجارب الناجحة.
أحد المكونات الرئيسية للتعلم "السريع" للفئران هو ظاهرة أطلق عليها الباحثون اسم "البصيرة المفاجئة". في تجارب تعلم الماوس الأكثر تقليدية ، مثل مهمة عجلة القيادة ، يميل فأر المختبر إلى التعلم ببطء ، ويتحسن تدريجياً في القيام بالمهمة بشكل صحيح. ولكن في نموذج المتاهة ، أظهر كل فأر نوعًا من "لحظة المصباح" ، حيث بدا أنهم يفهمون فجأة كيفية التنقل في المتاهة.
يقول زانغ: "نرى أنه بالنسبة لمعظم الفئران التي حصلت على مكافأة - أولئك الذين ربما كان العطش لهم قوة دافعة - فجأة ، فإن شيئًا ما" ينقر "عليهم". "بعد هذه اللحظة ، تبدأ الحيوانات في اتخاذ مسارات معقدة ولكنها مباشرة إلى موقع المياه بشكل متكرر ، مما يشير إلى أنها تضع معرفتها حول التنقل في المتاهة معًا."
يقول روزنبرغ: "لقد وجدنا طريقة لتصميم مهمة تستفيد من القدرات الأساسية للفئران". "قد يقول بعض الناس أن الفئران غبية ، ولكن إذا قمت بالاستفادة من مكانتها التطورية الأساسية ، فلديك الفرصة لمراقبة السلوك الماهر. وهذا يسمح لنا بالحصول على فهم حقيقي لكيفية حدوث التعلم ".
المرجع: "تظهر الفئران في المتاهة التعلم السريع والبصيرة المفاجئة والاستكشاف الفعال" بقلم ماثيو روزنبرغ وتوني زانغ وبيترو بيرونا وماركوس مايستر ، 21 يوليو 2021 ، موبايلي elife.
DOI: 10.7554 / eLife.66175
عنوان الورقة "الفئران في متاهة: التعلم السريع ، والبصيرة المفاجئة ، والاستكشاف الفعال". طلاب الدراسات العليا ماثيو روزنبرغ وتوني زانغ هم مؤلفون أول مشاركين. المؤلفون المشاركون الإضافيون هم بيرونا ومايستر. تم توفير التمويل من قبل Simons Collaboration on the Global Brain والمؤسسة الوطنية للعلوم وجوجل. مايستر وبيرونا عضوان في هيئة التدريس منتسبان في معهد تيانكياو وكريسي تشين لعلوم الأعصاب في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
