Ein neuer Versuchsaufbau zur Untersuchung des Verhaltens und Lernens von Tieren.
Ihr Weg zur Arbeit mag wie eine banale Sache erscheinen, aber er ist ein großartiges Beispiel für die komplizierten Aufgaben, die unser Gehirn täglich ausführen muss: Navigation, Gedächtnis, Entscheidungsfindung, sensorische Verarbeitung und so weiter. Forscher verwenden häufig Tiermodelle wie Mäuse, um die neuronalen Prozesse zu untersuchen, die diesen Verhaltensweisen zugrunde liegen. Viele der Aufgaben, mit denen das Lernen bei Mäusen untersucht wird, sind jedoch nicht „natürlich“ – es handelt sich nicht um Verhaltensweisen, die eine Maus im Laufe ihres Lebens tun könnte.
Caltech-Forscher haben nun eine Studie durchgeführt, in der sie gemessen haben, wie Mäuse durch ein kompliziertes Labyrinth navigieren, was einen neuen Rahmen vorschlägt, mit dem komplexe Verhaltensweisen und Lernen von Tieren untersucht werden können. Die Mäuse lernten schnell, sich in dieser ungewohnten Umgebung zurechtzufinden, etwa 1,000-mal schneller als Mäuse im Allgemeinen einfache, aber unnatürliche Aufgaben lernen. Die Studie hat Auswirkungen darauf, wie wir über das Gehirn und die Rolle des Körpers bei der Intelligenz denken. Interessanterweise verhielten sich Caltech-Absolventen beim Navigieren in einer simulierten Version desselben Labyrinths ähnlich wie Mäuse.
Die Forschung ist eine Zusammenarbeit zwischen den Labors von Markus Meister (PhD '87), Anne P. und Benjamin F. Biaggini, Professor für Biowissenschaften, und Pietro Perona, Allen E. Puckett, Professor für Elektrotechnik. Ein Artikel, der die Studie beschreibt, erschien online in der Zeitschrift eLife Juli 21, 2021.
Die Doktoranden Matthew Rosenberg und Tony Zhang diskutieren ihren neuen experimentellen Aufbau zur Beobachtung, wie Mäuse in einer natürlichen Umgebung lernen. Bildnachweis: Caltech
Stellen Sie sich vor, ein Lenkrad steht vor Ihnen. Wenn links von Ihnen eine Ampel aufleuchtet, müssen Sie das Rad nach links drehen; Wenn rechts von Ihnen eine Ampel aufleuchtet, müssen Sie das Rad nach rechts drehen. Angesichts der Tatsache, dass nur zwei Entscheidungen zu treffen sind – nach links oder rechts abbiegen – würden Sie wahrscheinlich im Handumdrehen diese einfache Aufgabe erlernen. Eine Labormaus benötigt jedoch möglicherweise etwa 10,000 Versuche, um zu lernen, wie eine Aufgabe wie diese richtig ausgeführt wird. Selbst dann kann die Maus es nur in 80 Prozent der Fälle richtig machen. Obwohl die Aufgabe für Menschen einfach erscheint, ist sie für eine Maus kein sehr natürliches Unterfangen.
„In den letzten Jahren haben wir versucht, experimentelle Ansätze zu entwickeln, die die Komplexität des natürlichen Tierverhaltens respektieren, Dinge, die dem Verhalten von Tieren in der realen Welt ähnlicher sind“, sagt Meister.
Unter der Leitung der Doktoranden Matthew Rosenberg und Tony Zhang entwickelte das Team ein komplexes Labyrinth, das die Mäuse erkunden können, mit 63 Entscheidungsknotenpunkten und 64 möglichen Endpunkten. Innerhalb des Labyrinths befindet sich ein Wasseranschluss, der einen kleinen Tropfen Wasser abgibt. Die Forscher gaben einer einzelnen Maus von ihrem heimischen Käfig aus Zugang zum Labyrinth und erlaubten ihr, sie eine Nacht lang nach Belieben zu erkunden. Eine Videokamera verfolgte die Bewegungen der Maus und quantifizierte das Erkundungsverhalten.
„In dieser Studie setzen wir eine Maus einem komplexen Labyrinth aus, schalten eine Kamera ein und verlassen einfach den Raum“, sagt Meister. „Wir nehmen keinen Einfluss auf das Tier. Wir kommen sieben Stunden später zurück und analysieren Videos darüber, was die Maus in dieser Zeit getan hat. Wir erlauben der Maus, die Art von Entscheidungen zu treffen, die Mäuse treffen, anstatt sie zu zwingen, eine abstrakte Aufgabe zu übernehmen, die wirklich keine Relevanz hat.“
In etwa der Hälfte dieser Experimente war die Maus durstig und es war anzunehmen, dass sie durch den Drang, Wasser zu finden, motiviert war. In der anderen Hälfte waren die Mäuse gesättigt. Obwohl eine durstige Maus nicht weiß, dass sich darin Wasser befindet, wird sie das Labyrinth methodisch erkunden. Nachdem die Maus zum ersten Mal den Wasserhafen entdeckt hat, braucht die Maus im Durchschnitt nur 10 Versuche, um den effizientesten direkten Weg von ihrem Heimkäfig zum Hafen herauszufinden. Der direkteste Weg erfordert sechs richtige Entscheidungen.
Die 19 Mäuse, die in der Studie verwendet wurden, neigten alle dazu, bestimmten „Erforschungsregeln“ zu folgen. Wenn eine Maus beispielsweise auf eine Kreuzung stößt, kann sie wählen, ob sie nach links, rechts oder den Weg zurückgehen möchte, den sie gekommen ist. Alle 19 Mäuse hatten eine starke Präferenz, sich weiter vorwärts zu bewegen und sich nicht umzudrehen. Außerdem neigten die Mäuse dazu, beim Erkunden abwechselnd links und rechts zu gehen. Ob diese „Regeln“ aus Erfahrungen resultieren oder ob sie genetisch fest im Gehirn verdrahtet sind, bleibt noch zu entdecken.
Rosenberg und Zhang erstellten dann eine Nachbildung des Labyrinths als Videospiel und luden ihre Laborkollegen ein, das Labyrinth digital zu erkunden. Die Schüler zeigten eine ähnliche Leistung wie Mäuse und lernten nach einer ähnlichen Anzahl erfolgreicher Erfahrungen, wie man navigiert.
Eine Schlüsselkomponente des „schnellen“ Lernens der Mäuse ist ein Phänomen, das die Forscher „plötzliche Einsicht“ nannten. Bei traditionelleren Maus-Lernexperimenten wie der Lenkradaufgabe lernt die Labormaus langsam und verbessert sich allmählich bei der korrekten Ausführung der Aufgabe. Aber im Labyrinth-Paradigma zeigte jede Maus eine Art „Aha-Moment“, in dem sie plötzlich zu verstehen schien, wie man durch das Labyrinth navigiert.
„Wir sehen, dass bei den meisten belohnten Mäusen – denjenigen, für die der Durst vielleicht eine treibende Kraft war – plötzlich etwas ‚Klick' macht“, sagt Zhang. „Nach diesem Aha-Moment nehmen die Tiere viel häufiger komplexe, aber direkte Wege zum Wasserort, was darauf hindeutet, dass sie ihr Wissen über das Navigieren im Labyrinth zusammenbringen.“
„Wir haben einen Weg gefunden, eine Aufgabe zu entwerfen, die die Kernfähigkeiten der Mäuse nutzt“, sagt Rosenberg. „Einige Leute mögen sagen, dass Mäuse dumm sind, aber wenn Sie ihre evolutionäre Kernnische erschließen, haben Sie die Möglichkeit, qualifiziertes Verhalten zu beobachten. Auf diese Weise können wir ein echtes Verständnis dafür bekommen, wie Lernen abläuft.“
Referenz: „Mäuse im Labyrinth zeigen schnelles Lernen, plötzliche Einsicht und effiziente Erforschung“ von Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona und Markus Meister, 21. Juli 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.66175
Das Papier trägt den Titel „Mäuse im Labyrinth: Schnelles Lernen, plötzliche Einsicht und effiziente Erforschung“. Die Doktoranden Matthew Rosenberg und Tony Zhang sind Co-Erstautoren. Weitere Co-Autoren sind Perona und Meister. Die Finanzierung wurde von der Simons Collaboration on the Global Brain, der National Science Foundation und Google bereitgestellt. Meister und Perona sind assoziierte Fakultätsmitglieder des Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience am Caltech.
