研究称小鼠的学习速度比以前认为的要快得多

据外媒报道,研究人员经常使用小鼠等动物模型来研究导航、记忆、决策、感官处理等行为背后的神经过程。然而,用于研究小鼠学习的许多任务并不“自然”--它们不是小鼠在其生命过程中可能做的行为。

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一个复杂的迷宫中导航,并提出了一个新的框架,用它来研究复杂动物行为和学习。小鼠迅速学会了如何浏览这个陌生的环境,比一般小鼠学习简单而不自然的任务快了大约1000倍。这项研究对我们如何思考大脑和身体在智力方面的作用有影响。有趣的是,加州理工学院的研究生在浏览同一迷宫的模拟版本时表现与小鼠相似。

描述该研究的论文于2021年7月21日在线发表在《eLife》杂志上。

想象一下,一个方向盘摆在你的面前。当你的左边有灯亮起时,你必须把方向盘转向左边;当你的右边有灯亮起时,你必须把方向盘转向右边。鉴于只有两个决定--向左转或向右转--你可能根本不需要花时间来学习这个简单的任务。然而,一只实验室老鼠可能需要大约1万次试验才能正确地学会如何完成这样的任务。即使如此,小鼠也可能只有80%的时间是正确的。这项任务,尽管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工作。

研究人员Markus Meister说:“在过去的几年里,我们一直在努力开发更尊重自然动物行为复杂性的实验方法,这些方法更类似于动物在现实世界中的行为。”

在研究生Matthew Rosenberg和Tony Zhang的带领下,该团队开发了一个复杂的迷宫供小鼠探索,其中有63个决策路口和64个可能的终点。迷宫内有一个水瓶,可以提供水源。研究人员让一只小鼠从它的笼子里进入迷宫,并允许它在一个晚上随意探索。一台摄像机跟踪了小鼠的运动,并量化了探索行为。

Meister表示:“在这项研究中,我们将老鼠暴露在一个复杂的迷宫环境中,打开摄像头,然后直接走出房间。我们不对动物施加任何影响。我们只是在七小时后回来,分析小鼠在这段时间内的行为。我们允许小鼠做出小鼠做出的各种决定,而不是强迫它们接受一些真正没有意义的抽象任务。”

在这些实验中,约有一半的小鼠是口渴的,可以假定它们是受寻找水的驱动力所驱使。在另一半的实验中,小鼠被喂饱了。尽管口渴的老鼠不知道里面有水,但它会有条不紊地探索迷宫。在第一次发现水源后,小鼠平均只需要10次尝试就能找出从它的笼子到水瓶所在地的最有效、最直接的路线。最直接的路线需要六个正确的决定。

该研究中使用的19只小鼠都倾向于遵循某些 “探索规则”。例如,当遇到一个关口时,小鼠可以选择向左、向右或原路返回。所有19只小鼠都强烈倾向于继续向前走,而不是转身。此外,小鼠在探索时倾向于交替采取左转和右转。这些“规则”是否来自于经验,或者它们是否是大脑中的遗传基因,还有待发现。

然后,Matthew 和Tony创建了一个作为视频游戏的迷宫副本,并邀请他们的研究生实验室伙伴以数字方式探索这个迷宫。学生们的表现与小鼠相似,在类似数量的成功经验后学会了如何导航。