事实上,老鼠学习的速度比我们想象的要快得多

鼠标奶酪迷宫

一个研究动物行为和学习的新实验装置。

你上班的路程可能看起来很平凡,但它是一个很好的例子,说明我们的大脑每天都必须执行复杂的任务:导航、记忆、决策、感觉处理等等。研究人员经常使用动物模型,比如老鼠,来研究这些行为背后的神经过程。然而,用于研究老鼠学习的许多任务都不是“自然的”——它们不是老鼠在其生命过程中可能会做的行为。

加州理工学院的研究人员现在进行了一项研究,他们测量了老鼠如何在复杂的迷宫中导航,这为研究复杂动物行为和学习提供了一个新的框架。这些老鼠很快就学会了如何在这个不熟悉的环境中导航,比一般老鼠学习简单但非自然任务的速度快1000倍。这项研究对我们如何看待大脑和身体在智力中的作用具有启示意义。有趣的是,加州理工学院的研究生在模拟迷宫中的表现与老鼠相似。

这项研究是马库斯·迈斯特(87年博士)的实验室之间的合作。本杰明F。Biaggini生物科学教授和Pietro Perona,Allen E。普克特电气工程教授。一篇描述这项研究的论文出现在《华尔街日报》的网上eLife2021年7月21日。


研究生马修·罗森伯格和托尼·张讨论了他们观察老鼠在自然环境中如何学习的新实验装置。信贷:加州理工学院

想象一个方向盘放在你的前面。当灯开到你左边时,你必须把方向盘转向左边;当一盏灯在你的右边出现时,你必须把方向盘转向右边。考虑到只有两个向左或向右转弯的决定,你可能根本不需要花时间去学习这个简单的任务。然而,一只实验室老鼠可能需要大约一万次试验才能正确学习如何完成这样的任务。即便如此,鼠标可能也只有80%的正确率。这项任务对人类来说似乎很简单,但对老鼠来说却不是一项非常自然的任务。

迈斯特说:“在过去几年里,我们一直在努力开发更尊重自然动物行为的复杂性的实验方法,这些方法更类似于动物在现实世界中的行为。”

在研究生马修·罗森伯格和托尼·张的带领下,该团队为小鼠开发了一个复杂的迷宫,其中有63个决策节点和64个可能的端点。在迷宫里有一个水口,里面有一小滴水。研究人员让一只单独的老鼠从它的笼子进入迷宫,让它在一个晚上随心所欲地探索。一台摄像机跟踪鼠标的运动,并量化其探索行为。

梅斯特说:“在这项研究中,我们将一只老鼠暴露在复杂的迷宫环境中,打开摄像机,然后走出房间。”“我们不会对动物施加任何影响。七个小时后,我们回来分析鼠标在那段时间里做了什么。我们允许老鼠做出和老鼠一样的决定,而不是强迫它们接受一些真正无关的抽象任务。”

在大约一半的实验中,老鼠是口渴的,可以认为是受到寻找水的驱动。在另一半实验中,老鼠吃饱了。虽然一只口渴的老鼠不知道里面有水,但它会有条不紊地探索迷宫。在首次发现水口后,老鼠平均只需要10次尝试就能找出从它的笼子到水口的最有效、最直接的路线。最直接的路线需要六个正确的决定。

这项研究中使用的19只老鼠都倾向于遵循某些“探索规则”。例如,当遇到一个转折点时,老鼠可以选择向左、向右或回到原来的方向。所有的19只老鼠都有一种强烈的偏好,那就是继续前进,而不是转身。此外,老鼠在探索时倾向于交替使用左撇子和右撇子。这些“规则”是由经验产生的,还是与大脑的基因紧密相连,还有待发现。

Rosenberg和Zhang随后制作了一个迷宫的电子游戏,并邀请他们的研究生实验室伙伴以数字方式探索迷宫。这些学生的表现与老鼠相似,在经历了类似数量的成功经验后,他们学会了如何导航。

老鼠“快速”学习的一个关键组成部分是研究人员称之为“突然顿悟”的现象。在更传统的小鼠学习实验中,如方向盘任务,实验室小鼠倾向于学习缓慢,逐渐提高正确完成任务的能力。但在迷宫模型中,每只老鼠都表现出一种“灵光一闪的瞬间”,它们似乎突然明白了如何在迷宫中导航。

张说:“我们发现,对于那些获得最多奖励的老鼠来说,口渴可能是一种驱动力,突然之间,某些东西‘咔嚓’地出现了。”“在这个顿悟时刻之后,这些动物开始更频繁地走复杂但直接的路径到水中,这表明它们把自己在迷宫中导航的知识放在一起。”

“我们已经找到了一种设计任务的方法,可以利用老鼠的核心能力,”Rosenberg说。“有些人可能会说老鼠很笨,但如果你深入到它们的核心进化生态位,你就有机会观察到有技能的行为。这让我们能够真正理解学习是如何发生的。”

参考书目:《迷宫中的老鼠展示了快速的学习、突然的洞察力和高效的探索》,马修·罗森伯格、托尼·张、彼得罗·佩罗娜和马库斯·梅斯特,2021年7月21日,eLife
DOI: 10.7554 / eLife.66175

这篇论文的标题是“迷宫中的老鼠:快速学习、突然顿悟和有效探索”。研究生Matthew Rosenberg和Tony Zhang是第一作者。其他合著者是Perona和Meister。资金由全球大脑西蒙斯合作组织、国家科学基金会和谷歌提供。迈斯特和佩罗娜是加州理工学院天桥和陈克莉神经科学研究所的教员。

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