Una nueva configuración experimental para estudiar el comportamiento y el aprendizaje de los animales.
Su viaje al trabajo puede parecer algo mundano, pero es un gran ejemplo de las tareas complicadas que nuestro cerebro debe realizar a diario: navegación, memoria, toma de decisiones, procesamiento sensorial, etc. Los investigadores suelen utilizar modelos animales, como ratones, para estudiar los procesos neuronales que subyacen a estos comportamientos. Sin embargo, muchas de las tareas utilizadas para estudiar el aprendizaje en ratones no son "naturales", no son comportamientos que un ratón podría realizar en el transcurso de su vida.
Los investigadores de Caltech ahora han realizado un estudio en el que midieron cómo los ratones navegan por un laberinto complicado, lo que sugiere un nuevo marco con el que estudiar comportamientos y aprendizajes animales complejos. Los ratones aprendieron rápidamente cómo navegar en este entorno desconocido unas 1,000 veces más rápido de lo que los ratones generalmente aprenden tareas simples pero poco naturales. El estudio tiene implicaciones sobre cómo pensamos sobre el cerebro y el papel del cuerpo en la inteligencia. Curiosamente, los estudiantes de posgrado de Caltech se desempeñaron de manera similar a los ratones al navegar en una versión simulada del mismo laberinto.
La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Markus Meister (PhD '87), Anne P. y Benjamin F. Biaggini Profesor de Ciencias Biológicas, y Pietro Perona, Allen E. Puckett Profesor de Ingeniería Eléctrica. Un artículo que describe el estudio apareció en línea en la revista. ELIFE de julio 21, 2021.
Los estudiantes graduados Matthew Rosenberg y Tony Zhang discuten su nueva configuración experimental para observar cómo aprenden los ratones en un entorno naturalista. Crédito: Caltech
Imagina un volante colocado frente a ti. Cuando se enciende una luz a su izquierda, debe girar la rueda hacia la izquierda; cuando se enciende una luz a su derecha, debe girar el volante a la derecha. Dado que solo hay que tomar dos decisiones: girar a la izquierda o a la derecha, probablemente no le llevará nada de tiempo aprender esta sencilla tarea. Sin embargo, un ratón de laboratorio podría necesitar alrededor de 10,000 intentos para aprender correctamente cómo realizar una tarea como esta. Incluso entonces, el mouse solo puede hacerlo correctamente el 80 por ciento de las veces. La tarea, aunque parece simple para los humanos, no es una tarea muy natural para un ratón.
“Durante los últimos años, hemos estado tratando de desarrollar enfoques experimentales que sean más respetuosos con la complejidad del comportamiento natural de los animales, cosas que sean más similares a lo que hacen los animales en el mundo real”, dice Meister.
Dirigido por los estudiantes graduados Matthew Rosenberg y Tony Zhang, el equipo desarrolló un laberinto complejo para que lo exploraran los ratones, con 63 cruces de decisión y 64 puntos finales posibles. Dentro del laberinto hay un puerto de agua que dispensa una pequeña gota de agua. Los investigadores le dieron a un ratón acceso individual al laberinto desde su jaula y le permitieron explorar como deseaba durante una noche. Una cámara de video siguió los movimientos del ratón y cuantificó el comportamiento exploratorio.
“En este estudio, exponemos un ratón a un entorno de laberinto complejo, encendemos una cámara y simplemente salimos de la habitación”, dice Meister. “No ejercemos ninguna influencia sobre el animal. Regresamos siete horas después y analizamos videos de lo que hizo el mouse durante ese tiempo. Permitimos que el ratón tome el tipo de decisiones que toman los ratones en lugar de obligarlos a aceptar alguna tarea abstracta que realmente no tiene relevancia”.
En aproximadamente la mitad de estos experimentos, el ratón tenía sed y se podía suponer que estaba motivado por un impulso para encontrar agua. En la otra mitad, los ratones estaban saciados. Aunque un ratón sediento no sabe que hay agua dentro, explorará el laberinto metódicamente. Después de descubrir por primera vez el puerto de agua, el ratón tarda en promedio solo 10 intentos para descubrir la ruta directa más eficiente al puerto desde su jaula de origen. La ruta más directa requiere seis decisiones correctas.
Los 19 ratones utilizados en el estudio tendían a seguir ciertas "reglas de exploración". Por ejemplo, cuando se encuentra con un cruce, un mouse puede elegir ir a la izquierda, a la derecha o retroceder por donde vino. Los 19 ratones tenían una fuerte preferencia por seguir avanzando y no darse la vuelta. Además, los ratones tendían a alternar la izquierda y la derecha al explorar. Queda por descubrir si estas "reglas" son el resultado de experiencias o si están genéticamente programadas en el cerebro.
Rosenberg y Zhang luego crearon una réplica del laberinto como un videojuego e invitaron a sus compañeros de laboratorio de estudiantes de posgrado a explorar el laberinto digitalmente. Los estudiantes se desempeñaron de manera similar a los ratones, aprendiendo a navegar después de un número similar de experiencias exitosas.
Un componente clave del aprendizaje "rápido" de los ratones es un fenómeno que los investigadores denominaron "conocimiento repentino". En los experimentos de aprendizaje con ratones más tradicionales, como la tarea del volante, el ratón de laboratorio tenderá a aprender lentamente y mejorará gradualmente para hacer la tarea correctamente. Pero en el paradigma del laberinto, cada ratón mostró una especie de "momento de bombilla", en el que parecían entender de repente cómo navegar por el laberinto.
"Vemos que para la mayoría de los ratones premiados, aquellos para quienes la sed puede haber sido una fuerza impulsora, de repente algo 'hace clic' para ellos", dice Zhang. "Después de este momento, los animales comienzan a tomar caminos complejos pero directos hacia la ubicación del agua con mucha más frecuencia, lo que indica que están poniendo todos sus conocimientos sobre cómo navegar por el laberinto".
“Hemos encontrado una manera de diseñar una tarea que aprovecha las capacidades básicas de los ratones”, dice Rosenberg. “Algunas personas pueden decir que los ratones son tontos, pero si aprovechas su nicho evolutivo central, tienes la oportunidad de observar un comportamiento hábil. Esto nos permite obtener una verdadera comprensión de cómo está ocurriendo el aprendizaje”.
Referencia: "Los ratones en un laberinto muestran un aprendizaje rápido, una percepción repentina y una exploración eficiente" por Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona y Markus Meister, 21 de julio de 2021, ELIFE.
DOI: 10.7554 / eLife.66175
El documento se titula "Ratones en un laberinto: aprendizaje rápido, conocimiento repentino y exploración eficiente". Los estudiantes graduados Matthew Rosenberg y Tony Zhang son coautores. Otros coautores son Perona y Meister. La financiación fue proporcionada por Simons Collaboration on the Global Brain, National Science Foundation y Google. Meister y Perona son profesores afiliados al Instituto de Neurociencia Tianqiao y Chrissy Chen de Caltech.
