Une nouvelle configuration expérimentale pour étudier le comportement et l'apprentissage des animaux.
Votre trajet domicile-travail peut sembler banal, mais c'est un excellent exemple des tâches complexes que notre cerveau doit effectuer au quotidien : navigation, mémoire, prise de décision, traitement sensoriel, etc. Les chercheurs utilisent souvent des modèles animaux, tels que des souris, pour étudier les processus neuronaux qui sous-tendent ces comportements. Cependant, bon nombre des tâches utilisées pour étudier l'apprentissage chez la souris ne sont pas «naturelles» - ce ne sont pas des comportements qu'une souris pourrait adopter au cours de sa vie.
Les chercheurs de Caltech ont maintenant mené une étude dans laquelle ils ont mesuré comment les souris naviguent dans un labyrinthe compliqué, suggérant un nouveau cadre avec lequel étudier les comportements et l'apprentissage complexes des animaux. Les souris ont rapidement appris à naviguer dans cet environnement inconnu environ 1,000 XNUMX fois plus rapidement que les souris n'apprennent généralement des tâches simples mais non naturelles. L'étude a des implications sur la façon dont nous pensons au cerveau et au rôle du corps dans l'intelligence. Fait intéressant, les étudiants diplômés de Caltech ont obtenu des performances similaires à celles des souris en naviguant dans une version simulée du même labyrinthe.
La recherche est une collaboration entre les laboratoires de Markus Meister (PhD '87), professeur de sciences biologiques Anne P. et Benjamin F. Biaggini, et Pietro Perona, professeur de génie électrique Allen E. Puckett. Un article décrivant l'étude est paru en ligne dans la revue eLife sur Juillet 21, 2021.
Les étudiants diplômés Matthew Rosenberg et Tony Zhang discutent de leur nouvelle configuration expérimentale pour observer comment les souris apprennent dans un environnement naturaliste. Crédit : Caltech
Imaginez un volant placé devant vous. Lorsqu'un feu s'allume à votre gauche, vous devez tourner le volant vers la gauche ; lorsqu'un feu s'allume à votre droite, vous devez tourner le volant vers la droite. Étant donné qu'il n'y a que deux décisions à prendre - tourner à gauche ou à droite - il ne vous faudrait probablement pas de temps pour apprendre cette tâche simple. Une souris de laboratoire, cependant, peut avoir besoin d'environ 10,000 80 essais pour apprendre correctement à effectuer une tâche comme celle-ci. Même dans ce cas, la souris ne peut l'obtenir correctement que XNUMX pour cent du temps. La tâche, bien qu'elle semble simple pour les humains, n'est pas une entreprise très naturelle pour une souris.
«Au cours des dernières années, nous avons essayé de développer des approches expérimentales plus respectueuses de la complexité du comportement animal naturel, des choses qui ressemblent davantage à ce que font les animaux dans le monde réel», explique Meister.
Dirigée par les étudiants diplômés Matthew Rosenberg et Tony Zhang, l'équipe a développé un labyrinthe complexe à explorer par les souris, comportant 63 jonctions de décision et 64 points finaux possibles. Dans le labyrinthe se trouve un port d'eau qui distribue une petite goutte d'eau. Les chercheurs ont donné à une souris l'accès au labyrinthe depuis sa cage d'origine et lui ont permis d'explorer à sa guise pendant une nuit. Une caméra vidéo a suivi les mouvements de la souris et quantifié le comportement exploratoire.
« Dans cette étude, nous exposons une souris à un environnement labyrinthique complexe, allumons une caméra et sortons simplement de la pièce », explique Meister. « Nous n'exerçons aucune influence sur l'animal. Nous revenons juste sept heures plus tard et analysons des vidéos de ce que la souris a fait pendant ce temps. Nous permettons à la souris de prendre le type de décisions que prennent les souris plutôt que de les forcer à accepter une tâche abstraite qui n'a vraiment aucune pertinence.
Dans environ la moitié de ces expériences, la souris avait soif et on pouvait supposer qu'elle était motivée par une envie de trouver de l'eau. Dans l'autre moitié, les souris étaient repues. Bien qu'une souris assoiffée ne sache pas qu'il y a de l'eau à l'intérieur, elle explorera le labyrinthe méthodiquement. Après avoir découvert le port d'eau pour la première fois, la souris ne prend en moyenne que 10 essais pour trouver la route directe la plus efficace vers le port depuis sa cage d'origine. L'itinéraire le plus direct nécessite six décisions correctes.
Les 19 souris utilisées dans l'étude avaient toutes tendance à suivre certaines « règles d'exploration ». Par exemple, lorsqu'elle rencontre une jonction, une souris peut choisir d'aller à gauche, à droite ou en arrière comme elle est venue. Les 19 souris avaient une forte préférence pour continuer d'avancer et ne pas se retourner. De plus, les souris avaient tendance à alterner les prises à gauche et à droite lors de l'exploration. Reste à savoir si ces « règles » résultent d'expériences ou si elles sont génétiquement câblées dans le cerveau.
Rosenberg et Zhang ont ensuite créé une réplique du labyrinthe sous forme de jeu vidéo et ont invité leurs camarades de laboratoire étudiants diplômés à explorer le labyrinthe numériquement. Les étudiants ont réalisé des performances similaires à celles des souris, apprenant à naviguer après un nombre similaire d'expériences réussies.
Un élément clé de l'apprentissage « rapide » des souris est un phénomène que les chercheurs ont surnommé « perception soudaine ». Dans les expériences d'apprentissage de la souris plus traditionnelles, telles que la tâche au volant, la souris de laboratoire aura tendance à apprendre lentement, s'améliorant progressivement pour effectuer la tâche correctement. Mais dans le paradigme du labyrinthe, chaque souris montrait une sorte de « moment d'ampoule », où elles semblaient soudain comprendre comment naviguer dans le labyrinthe.
« Nous constatons que pour la plupart des souris récompensées, celles pour lesquelles la soif a peut-être été une force motrice, tout d'un coup, quelque chose « clique » pour elles », explique Zhang. "Après ce moment aha, les animaux commencent à emprunter des chemins complexes mais directs vers l'emplacement de l'eau beaucoup plus fréquemment, ce qui indique qu'ils mettent en commun leurs connaissances sur la navigation dans le labyrinthe."
« Nous avons trouvé un moyen de concevoir une tâche qui exploite les capacités de base de la souris », explique Rosenberg. "Certaines personnes pourraient dire que les souris sont stupides, mais si vous puisez dans leur niche évolutive de base, vous avez la possibilité d'observer un comportement habile. Cela nous permet d'avoir une véritable compréhension de la façon dont l'apprentissage se produit.
Référence : « Les souris dans un labyrinthe montrent un apprentissage rapide, un aperçu soudain et une exploration efficace » par Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona et Markus Meister, 21 juillet 2021, eLife.
DOI : 10.7554/eLife.66175
L'article s'intitule « Des souris dans un labyrinthe : apprentissage rapide, aperçu soudain et exploration efficace ». Les étudiants diplômés Matthew Rosenberg et Tony Zhang sont co-premiers auteurs. Les co-auteurs supplémentaires sont Perona et Meister. Le financement a été fourni par la Simons Collaboration on the Global Brain, la National Science Foundation et Google. Meister et Perona sont membres du corps professoral affiliés à l'Institut de neurosciences Tianqiao et Chrissy Chen à Caltech.
