Una nuova configurazione sperimentale per lo studio del comportamento e dell'apprendimento degli animali.
Il tuo tragitto per andare al lavoro può sembrare una cosa banale, ma è un ottimo esempio dei compiti complicati che il nostro cervello deve svolgere quotidianamente: navigazione, memoria, processo decisionale, elaborazione sensoriale e così via. I ricercatori usano spesso modelli animali, come i topi, per studiare i processi neurali alla base di questi comportamenti. Tuttavia, molti dei compiti utilizzati per studiare l'apprendimento nei topi non sono "naturali", non sono comportamenti che un topo potrebbe fare nel corso della sua vita.
I ricercatori del Caltech hanno ora condotto uno studio in cui hanno misurato il modo in cui i topi navigano in un complicato labirinto, suggerendo un nuovo quadro con cui studiare i comportamenti e l'apprendimento complessi degli animali. I topi hanno imparato rapidamente come navigare in questo ambiente sconosciuto circa 1,000 volte più velocemente di quanto i topi generalmente imparino compiti semplici ma innaturali. Lo studio ha implicazioni su come pensiamo al cervello e al ruolo del corpo nell'intelligenza. È interessante notare che gli studenti laureati del Caltech si sono comportati in modo simile ai topi durante la navigazione in una versione simulata dello stesso labirinto.
La ricerca nasce dalla collaborazione tra i laboratori di Markus Meister (PhD '87), Anne P. e Benjamin F. Biaggini Professore di Scienze Biologiche, e Pietro Perona, Allen E. Puckett Professore di Ingegneria Elettrica. Un documento che descrive lo studio è apparso online sulla rivista eLife luglio 21, 2021.
Gli studenti laureati Matthew Rosenberg e Tony Zhang discutono della loro nuova configurazione sperimentale per osservare come i topi imparano in un ambiente naturalistico. Credito: Caltech
Immagina che un volante sia posizionato di fronte a te. Quando si accende una luce alla vostra sinistra, dovete girare la ruota a sinistra; quando una luce si accende alla tua destra, devi girare la ruota a destra. Dato che ci sono solo due decisioni da prendere, girare a sinistra oa destra, probabilmente non ci vorrebbe molto tempo per imparare questo semplice compito. Un mouse da laboratorio, tuttavia, potrebbe richiedere circa 10,000 prove per imparare correttamente come eseguire un'attività come questa. Anche in questo caso, il mouse può correggere solo l'80 percento delle volte. Il compito, sebbene sembri semplice per l'uomo, non è un'impresa molto naturale per un topo.
"Negli ultimi anni, abbiamo cercato di sviluppare approcci sperimentali più rispettosi della complessità del comportamento naturale degli animali, cose che sono più simili a ciò che fanno gli animali nel mondo reale", afferma Meister.
Guidato dagli studenti laureati Matthew Rosenberg e Tony Zhang, il team ha sviluppato un complesso labirinto da esplorare per i topi, con 63 giunzioni decisionali e 64 possibili endpoint. All'interno del labirinto c'è una porta d'acqua che eroga una piccola goccia d'acqua. I ricercatori hanno dato a un singolo topo l'accesso al labirinto dalla sua gabbia domestica e gli hanno permesso di esplorare come desiderava per una notte. Una videocamera ha tracciato i movimenti del mouse e quantificato il comportamento esplorativo.
"In questo studio, esponiamo un topo a un complesso ambiente labirinto, accendiamo una telecamera e usciamo dalla stanza", afferma Meister. “Non esercitiamo alcuna influenza sull'animale. Torniamo solo sette ore dopo e analizziamo i video di ciò che il mouse ha fatto durante quel periodo. Permettiamo al mouse di prendere il tipo di decisioni che prendono i topi piuttosto che costringerli ad accettare un compito astratto che in realtà non ha alcuna rilevanza".
In circa la metà di questi esperimenti, il topo aveva sete e si può presumere che fosse motivato da una spinta alla ricerca dell'acqua. Nell'altra metà, i topi erano sazi. Anche se un topo assetato non sa che c'è dell'acqua all'interno, esplorerà metodicamente il labirinto. Dopo aver scoperto per la prima volta il porto d'acqua, il topo impiega in media solo 10 tentativi per capire il percorso più efficiente e diretto al porto dalla sua gabbia di casa. Il percorso più diretto richiede sei decisioni corrette.
I 19 topi utilizzati nello studio tendevano tutti a seguire determinate "regole di esplorazione". Ad esempio, quando incontra un frangente, un mouse può scegliere di andare a sinistra, a destra o indietro nel modo in cui è venuto. Tutti i 19 topi avevano una forte preferenza per continuare ad andare avanti e non girarsi. Inoltre, i topi tendevano ad alternare prendere sinistra e destra durante l'esplorazione. Resta da scoprire se queste "regole" siano il risultato di esperienze o se siano geneticamente cablate nel cervello.
Rosenberg e Zhang hanno quindi creato una replica del labirinto come un videogioco e hanno invitato i loro compagni di laboratorio a esplorare il labirinto digitalmente. Gli studenti si sono comportati in modo simile ai topi, imparando a navigare dopo un numero simile di esperienze di successo.
Una componente chiave dell'apprendimento "rapido" dei topi è un fenomeno che i ricercatori hanno soprannominato "intuizione improvvisa". Negli esperimenti di apprendimento del mouse più tradizionali, come l'attività al volante, il mouse da laboratorio tenderà ad apprendere lentamente, migliorando gradualmente l'esecuzione dell'attività correttamente. Ma nel paradigma del labirinto, ogni topo ha mostrato una sorta di "momento della lampadina", in cui sembrava che improvvisamente capissero come navigare nel labirinto.
"Vediamo che per la maggior parte dei topi premiati, quelli per i quali la sete potrebbe essere stata una forza trainante, all'improvviso qualcosa 'scatta' per loro", afferma Zhang. "Dopo questo momento aha, gli animali iniziano a percorrere percorsi complessi ma diretti verso la posizione dell'acqua molto più frequentemente, indicando che stanno mettendo insieme le loro conoscenze sulla navigazione nel labirinto".
"Abbiamo trovato un modo per progettare un'attività che attinga alle capacità principali dei topi", afferma Rosenberg. "Alcune persone potrebbero dire che i topi sono stupidi, ma se attingi alla loro nicchia evolutiva centrale, hai l'opportunità di osservare comportamenti esperti. Questo ci permette di avere una vera comprensione di come sta avvenendo l'apprendimento".
Riferimento: "I topi in un labirinto mostrano un apprendimento rapido, un'intuizione improvvisa e un'esplorazione efficiente" di Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona e Markus Meister, 21 luglio 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.66175
Il documento è intitolato "I topi in un labirinto: apprendimento rapido, intuizione improvvisa ed esplorazione efficiente". Gli studenti laureati Matthew Rosenberg e Tony Zhang sono co-primi autori. Ulteriori coautori sono Perona e Meister. Il finanziamento è stato fornito dalla Simons Collaboration on the Global Brain, dalla National Science Foundation e da Google. Meister e Perona sono docenti affiliati al Tianqiao e al Chrissy Chen Institute for Neuroscience al Caltech.
