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 задачи, используемые 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 1000 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. Биаггини, а также Пьетро Перона, профессора электротехники Аллена Э. Пакета. Статья с описанием исследования появилась в журнале eLife 21 июля 2021 года.
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 проб, чтобы правильно научиться выполнять такую задачу. Даже в этом случае мышь может делать это правильно только в 80% случаев. Задача, хоть и кажется простой для человека, не совсем естественная задача для мыши.
Аспиранты Мэтью Розенберг и Тони Чжан обсуждают новую экспериментальную установку для наблюдения за тем, как мыши учатся в естественной среде. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.
«В течение последних нескольких лет мы пытались разработать экспериментальные подходы, которые более уважительно относились бы к сложности естественного поведения животных, вещей, 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 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, а не заставляем их принимать» какая-то абстрактная задача, действительно не имеющая 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 насыщены. 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, следовали определенным «правилам исследования». Например, при встрече с перекрестком мышь может выбрать движение влево, вправо или назад тем же путем, которым она появилась. У всех 19 мышей было сильное предпочтение продолжать двигаться вперед и не оборачиваться. Кроме того, мыши, исследуя территорию, имели тенденцию поочередно брать левую и правую сторону. Остается выяснить, являются ли эти «правила» результатом опыта или они генетически закреплены в мозге.
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 аналогичного 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« ага-момента »животные гораздо чаще начинают идти по сложным, но прямым путям к водной локации, что указывает на то, что они объединяют свои знания о навигации 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».
