Новая экспериментальная установка для изучения поведения и обучения животных.
Поездка на работу может показаться обыденным делом, но это отличный пример сложных задач, которые наш мозг должен выполнять ежедневно: навигация, память, принятие решений, сенсорная обработка и так далее. Исследователи часто используют модели животных, например мышей, для изучения нейронных процессов, лежащих в основе этого поведения. Однако многие из задач, используемых для изучения обучения на мышах, не являются «естественными» - это не поведение, которое мышь могла бы делать в течение своей жизни.
Исследователи Калифорнийского технологического института провели исследование, в котором они измерили, как мыши перемещаются по сложному лабиринту, предложив новую основу для изучения сложного поведения и обучения животных. Мыши быстро научились ориентироваться в этой незнакомой среде примерно в 1,000 раз быстрее, чем мыши обычно осваивают простые, но неестественные задачи. Исследование имеет значение для того, как мы думаем о мозге и роли тела в интеллекте. Интересно, что аспиранты Калифорнийского технологического института продемонстрировали аналогично мышам перемещение по смоделированной версии того же лабиринта.
Исследование является результатом сотрудничества лабораторий Маркуса Мейстера (доктор философии '87), профессоров биологических наук Анны П. и Бенджамина Ф. Бьяджини и Пьетро Перона, профессора электротехники Аллена Э. Пакета. В журнале появилась статья с описанием исследования. eLife июля 21, 2021.
Аспиранты Мэтью Розенберг и Тони Чжан обсуждают новую экспериментальную установку для наблюдения за тем, как мыши учатся в естественной среде. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.
Представьте, что перед вами стоит руль. Когда слева от вас загорится свет, вы должны повернуть колесо влево; когда справа от вас загорится свет, вы должны повернуть колесо вправо. Учитывая, что вам нужно принять только два решения - повернуть налево или направо - вам, вероятно, совсем не потребуется времени, чтобы выучить эту простую задачу. Однако лабораторной мыши может потребоваться около 10,000 80 испытаний, чтобы правильно научиться выполнять такую задачу. Даже в этом случае мышь может делать это правильно только в XNUMX% случаев. Задача, хоть и кажется простой для человека, для мыши - не совсем естественное занятие.
«В течение последних нескольких лет мы пытались разработать экспериментальные подходы, учитывающие сложность естественного поведения животных, вещи, которые больше похожи на то, что животные делают в реальном мире», - говорит Мейстер.
Под руководством аспирантов Мэтью Розенберга и Тони Чжана команда разработала сложный лабиринт для исследования мышей, включающий 63 точки принятия решений и 64 возможных конечных точки. Внутри лабиринта находится водный порт, через который выходит небольшая капля воды. Исследователи предоставили отдельной мыши доступ к лабиринту из ее домашней клетки и позволили ей исследовать по своему желанию в течение одной ночи. Видеокамера отслеживала движения мыши и количественно оценивала исследовательское поведение.
«В этом исследовании мы помещаем мышь в сложный лабиринт, включаем камеру и просто выходим из комнаты», - говорит Мейстер. «Мы не оказываем никакого влияния на животное. Мы просто возвращаемся через семь часов и анализируем видео о том, что мышь делала за это время. Мы позволяем мыши принимать решения, которые принимают мыши, вместо того, чтобы заставлять их принимать какую-то абстрактную задачу, которая действительно не имеет отношения к делу ».
Примерно в половине этих экспериментов мышь испытывала жажду, и можно было предположить, что ее мотивировало стремление найти воду. В другой половине мыши были сыты. Хотя жаждущая мышь не знает, что внутри находится вода, она будет методично исследовать лабиринт. После первого обнаружения водного порта мыши в среднем требуется всего 10 попыток, чтобы определить наиболее эффективный прямой путь к порту из своей домашней клетки. Самый прямой путь требует шести правильных решений.
Все 19 мышей, использованных в исследовании, как правило, следовали определенным «правилам исследования». Например, при встрече с перекрестком мышь может выбрать движение влево, вправо или назад тем же путем, которым она появилась. Все 19 мышей предпочитали продолжать движение вперед и не оборачиваться. Кроме того, мыши, исследуя территорию, имели тенденцию попеременно брать левую и правую сторону. Остается выяснить, являются ли эти «правила» результатом опыта или они генетически заложены в мозг.
Затем Розенберг и Чжан создали копию лабиринта в виде видеоигры и пригласили своих однокурсников по лаборатории исследовать лабиринт в цифровом формате. Студенты выступали так же, как и мыши, научившись ориентироваться после такого же количества успешных опытов.
Ключевым компонентом «быстрого» обучения мышей является феномен, который исследователи назвали «внезапным озарением». В более традиционных экспериментах по обучению мыши, таких как задача с рулевым колесом, лабораторная мышь будет учиться медленно, постепенно улучшаясь при правильном выполнении задачи. Но в парадигме лабиринта каждая мышь показывала своего рода «момент лампочки», когда они, казалось, внезапно понимали, как перемещаться по лабиринту.
«Мы видим, что для большинства награжденных мышей - тех, для кого жажда могла быть движущей силой - для них внезапно что-то« щелкает », - говорит Чжан. «После этого аха-момента животные гораздо чаще начинают идти по сложным, но прямым путям к водной локации, что свидетельствует о том, что они объединяют свои знания о перемещении по лабиринту».
«Мы нашли способ разработать задачу, которая задействует основные возможности мышей», - говорит Розенберг. «Некоторые люди могут сказать, что мыши глупы, но если вы задействуете их основную эволюционную нишу, у вас будет возможность наблюдать за умелым поведением. Это позволяет нам получить истинное представление о том, как происходит обучение ».
Ссылка: «Мыши в лабиринте демонстрируют быстрое обучение, внезапное понимание и эффективное исследование» Мэтью Розенберга, Тони Чжана, Пьетро Перона и Маркуса Майстера, 21 июля 2021 г., eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66175
Документ озаглавлен «Мыши в лабиринте: быстрое обучение, внезапное понимание и эффективное исследование». Аспиранты Мэтью Розенберг и Тони Чжан являются соавторами. Дополнительные соавторы - Перона и Мейстер. Финансирование было предоставлено Simons Collaboration on the Global Brain, Национальным научным фондом и Google. Майстер и Перона являются аффилированными преподавателями Института нейробиологии им. Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте.
