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小鼠聪明起来跟人一样,在迷宫中找水喝时经常“灵机一动”!

前瞻网    2021-09-05 17:22

 

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你上班的路上可能看起来很平凡,但却是一个很好的例子,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,比如小鼠,来研究这些行为背后的神经过程。然而,用于研究小鼠学习的许多任务都不是“自然的”——它们不是小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,他们测量了小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。这些小鼠很快就学会了如何在这个不熟悉的环境中导航,比一般小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小鼠相似。

这项研究发表在eLife杂志上。

想象一个方向盘放在你的前面。当灯在你左边亮起时,你必须把方向盘转向左边;当右边亮灯时,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,一只实验室小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,可能也只有80%的正确率。这项任务对人类来说似乎很简单,但对小鼠来说却不是一项非常自然的任务。

在过去几年里,研究人员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。

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。在迷宫里有一个水源,里面有一小滴水。研究人员让一只单独的小鼠从它的笼子进入迷宫,让它在一个晚上随心所欲地探索,不施加任何影响。一台摄像机跟踪鼠标的运动,并量化其探索行为。

在大约一半的实验中,小鼠口渴,可以认为是有寻找水的驱动力。在另一半实验中,小鼠吃饱了。虽然一只口渴的小鼠不知道里面有水,但它会有条不紊地探索迷宫。在首次发现水后,小鼠平均只需要10次尝试就能找出从它笼子到水源的最有效、最直接的路线。最直接的路线需要做出六个正确的决定。

研究中使用的19只小鼠都倾向于遵循某些“探索规则”。例如,当遇到一个转折点时,小可以选择向左、向右或返回它来的方向。所有19只小鼠都强烈倾向于继续前进而不回头。此外,小鼠在探索时倾向于左右交替。这些“规则”是来自经验,还是来自于大脑的基因,仍有待发现。

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

小鼠“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,每只小鼠都表现出一种“灵光一闪的瞬间”,它们似乎突然明白了如何在迷宫中导航。

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