Nové experimentální nastavení pro studium chování a učení zvířat.
Vaše dojíždění do práce se může zdát jako všední záležitost, ale je to skvělý příklad komplikovaných úkolů, které musí náš mozek denně vykonávat: navigace, paměť, rozhodování, smyslové zpracování a tak dále. Výzkumníci často používají zvířecí modely, jako jsou myši, ke studiu nervových procesů, které jsou základem tohoto chování. Mnoho úkolů používaných ke studiu učení u myší však není „přirozených“ – nejde o chování, které by myš mohla dělat v průběhu svého života.
Výzkumníci z Caltechu nyní provedli studii, ve které měřili, jak myši procházejí komplikovaným labyrintem, a navrhli nový rámec, pomocí kterého lze studovat složité chování zvířat a učení. Myši se rychle naučily, jak se pohybovat v tomto neznámém prostředí, asi 1,000krát rychleji, než se myši obecně učí jednoduché, ale nepřirozené úkoly. Studie má důsledky pro to, jak přemýšlíme o mozku a roli těla v inteligenci. Zajímavé je, že postgraduální studenti Caltechu si vedli podobně jako myši při navigaci v simulované verzi stejného bludiště.
Výzkum je výsledkem spolupráce mezi laboratořemi Markuse Meistera (PhD '87), Anne P. a profesora biologických věd Benjamina F. Biagginiho a Pietra Perony, profesora elektrotechniky Allena E. Pucketta. Článek popisující studii se objevil online v časopise eLife července na 21, 2021.
Postgraduální studenti Matthew Rosenberg a Tony Zhang diskutují o svém novém experimentálním nastavení pro pozorování toho, jak se myši učí v naturalistickém prostředí. Kredit: Caltech
Představte si, že před vámi stojí volant. Když se po vaší levici rozsvítí světlo, musíte otočit volantem doleva; když se po vaší pravici rozsvítí světlo, musíte otočit volantem doprava. Vzhledem k tomu, že existují pouze dvě rozhodnutí, která je třeba udělat – odbočit doleva nebo doprava – pravděpodobně by vám nezabralo vůbec čas, abyste se tento jednoduchý úkol naučili. Laboratorní myš však může potřebovat asi 10,000 80 pokusů, aby se správně naučila, jak provádět takový úkol. I tak to může myš správně nastavit pouze v XNUMX procentech případů. Úkol, i když se zdá pro člověka jednoduchý, není pro myš příliš přirozeným úkolem.
"Během posledních několika let jsme se snažili vyvinout experimentální přístupy, které více respektují složitost přirozeného chování zvířat, věci, které jsou více podobné tomu, co zvířata dělají v reálném světě," říká Meister.
Tým pod vedením postgraduálních studentů Matthewa Rosenberga a Tonyho Zhanga vyvinul složité bludiště, které mohou myši prozkoumat, obsahující 63 rozhodovacích křižovatek a 64 možných koncových bodů. Uvnitř bludiště je vodní port, který vydává malou kapku vody. Vědci umožnili individuální myši přístup do bludiště z její domovské klece a umožnili jí jednu noc prozkoumat, jak si přála. Videokamera sledovala pohyby myši a kvantifikovala průzkumné chování.
„V této studii vystavíme myš složitému labyrintovému prostředí, zapneme kameru a prostě odejdeme z místnosti,“ říká Meister. "Nevyvíjíme žádný vliv na zvíře." Vrátíme se o sedm hodin později a analyzujeme videa toho, co myš za tu dobu dělala. Umožňujeme myši dělat rozhodnutí, která dělají myši, místo abychom je nutili přijmout nějaký abstraktní úkol, který ve skutečnosti nemá žádný význam.“
Přibližně v polovině těchto experimentů měla myš žízeň a dalo se předpokládat, že byla motivována snahou najít vodu. Ve druhé polovině byly myši syté. Přestože žíznivá myš neví, že se uvnitř nachází voda, prozkoumá bludiště metodicky. Po prvním objevení vodního portu trvá myš v průměru pouze 10 pokusů, aby zjistila nejúčinnější a přímou cestu do přístavu ze své domovské klece. Nejpřímější cesta vyžaduje šest správných rozhodnutí.
Všech 19 myší použitých ve studii mělo tendenci dodržovat určitá „pravidla průzkumu“. Například, když narazí na styčný bod, myš si může vybrat, zda půjde doleva, doprava nebo zpět, jak přišla. Všech 19 myší silně preferovalo pohyb vpřed a neotáčelo se. Kromě toho měly myši tendenci střídavě brát doleva a doprava při průzkumu. Zda tato „pravidla“ vyplývají ze zkušeností, nebo jsou-li geneticky pevně zabudována do mozku, je třeba ještě zjistit.
Rosenberg a Zhang poté vytvořili repliku bludiště jako videohru a pozvali své kolegy z laboratoře, aby prozkoumali labyrint digitálně. Studenti si vedli podobně jako myši a po podobném počtu úspěšných zkušeností se naučili navigovat.
Klíčovou složkou „rychlého“ učení myší je fenomén, který vědci nazvali „náhlým vhledem“. V tradičnějších experimentech s učením myši, jako je úkol na volantu, bude mít laboratorní myš tendenci se učit pomalu a postupně se zlepšovat ve správném provádění úkolu. Ale v labyrintovém paradigmatu každá myš vykazovala jakýsi „moment žárovky“, kdy se zdálo, že najednou pochopili, jak se pohybovat v bludišti.
„Vidíme, že pro většinu odměňovaných myší – pro ty, pro které mohla být hnací silou žízeň – jim najednou něco ‚cvakne‘,“ říká Zhang. "Po tomto aha momentu se zvířata začnou vydávat složitými, ale přímými cestami k místu s vodou mnohem častěji, což naznačuje, že dávají dohromady své znalosti o navigaci v bludišti."
„Našli jsme způsob, jak navrhnout úkol, který využívá základní schopnosti myší,“ říká Rosenberg. "Někteří lidé by mohli říci, že myši jsou hloupé, ale pokud proniknete do jejich základního evolučního výklenku, máte příležitost pozorovat kvalifikované chování. To nám umožňuje skutečně porozumět tomu, jak učení probíhá.“
Odkaz: „Myši v labyrintu ukazují rychlé učení, náhlý vhled a efektivní zkoumání“ od Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona a Markus Meister, 21. července 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.66175
Příspěvek se jmenuje „Myši v labyrintu: Rychlé učení, náhlý vhled a efektivní zkoumání“. Postgraduální studenti Matthew Rosenberg a Tony Zhang jsou spoluautory. Dalšími spoluautory jsou Perona a Meister. Financování poskytly Simons Collaboration on the Global Brain, National Science Foundation a Google. Meister a Perona jsou členy fakulty s Tianqiao a Chrissy Chen Institute for Neuroscience na Caltech.
