Nowatorski system opracowany przez badaczy Janelii, który goni larwalny danio pręgowany wokół areny z robotami Predator, umożliwia naukowcom zrozumienie, w jaki sposób te dni ryby szybko uczą się w prawdziwym świecie.
Larwalne danio pręgowane są nieocenionym narzędziem dla neuronaukowców, którzy używają małej, przezroczystej ryby do zbadania zachowania mózgu, ale naukowcom trudno było badać uczenie się u tych rozwijających się kręgowców – ważną częścią zrozumienia, jak działa mózg.
Poprzednie badania wykazały, że młody danio pręgowany może uczyć się prostych skojarzeń. Ale ten rodzaj uczenia się zdarza powoli i często nierównomiernie, i nadal nie było jasne, czy dni dni danio pręgowanego może uczyć się wystarczająco szybko, aby używać swojej pamięci w naturalnych sytuacjach, takich jak rozpoznawanie i unikanie nowych drapieżników.
Naukowcy Janelia pod przewodnictwem naukowca doktoreckiego Dhruv Zocchi i starszego lidera grupy Mishy Ahrens myśleli, że tradycyjne sposoby testowania uczenia się w larwalnych danio pręgowanego w laboratorium – gdzie warunki były dalekie od tego, na czym ryby się napotkały na wolności – mogą nie być skuteczne odkrycie, jak uczą się ryby.
Zamiast tego zespół postanowił symulować prawdziwe doświadczenie: ściganie przez coś, co początkowo nie wygląda jak drapieżnik. Aby to modelować, naukowcy wykorzystali małe robotyczne cylindry, z niektórymi zaprogramowanymi w celu wykazania cech podobnych do drapieżnika.
Korzystając z tego nowatorskiego systemu, naukowcy dokonali nieoczekiwanego odkrycia, że larwalny danio pręgowany może uczyć się solidnie i wyjątkowo szybko w bardziej naturalnym kontekście, ale mogą to zrobić tylko pięć dni po rozpoczęciu życia jako pojedyncze komórki. Naukowcy wykazali, że danio pręgowany larw szybko nauczył się rozpoznawać roboty niepredakowe i drapieżnika i nauczyli się unikać tych ostatnich.
„To było otwarte pytanie: jak inteligentny danio danio larwalnym było pod względem szybkiego uczenia się” – mówi Ahrens. „Dhruv miał odpowiednią intuicję, jak to zrobić i odpowiednią zuchwałość, aby spróbować czegoś zupełnie innego”.
Symulowanie prawdziwego uczenia się
Na wolności drapieżniki danio pręgowanego nie zawsze są takie same: mogą się różnić w zależności od pokolenia, gdy migrują danio pręgowane i drapieżniki. W takich sytuacjach ryby muszą szybko dowiedzieć się, kto w swoim środowisku należy unikać, więc zespół pomyślał, że byłby to idealny kontekst do testowania możliwości uczenia się danio pręgowanego.
Aby zasymulować to doświadczenie, naukowcy po raz pierwszy umieścili robota na arenie z swobodnie pływającym danio pręgowanym. Podczas gdy robot był stacjonarny, ryba eksplorowała całą arenę, w tym obszar wokół robota.
Następnie naukowcy mieli robota ścigając rybę przez około minutę, zanim ponownie stali się stacjonarnymi. Zaledwie jedna minuta ścigania umożliwiła rybom dowiedzieć się, że robot może być niebezpieczny, powodując, że ryby unikają obszaru wokół robota przez ponad godzinę-duża zmiana w stosunku do zachowania niezwiązanego z uniemożliwieniem przed doświadczeniem pościgu.
Ponadto, gdy naukowcy wprowadzili drugiego robota, który nie ścigał ryb, ryby unikałyby tylko robota, który go ścigał, wykazując dobrze rozwiniętą zdolność odróżnienia niebezpiecznych od łagodnych bytów w środowisku.
Razem te eksperymenty sugerują, że po około minucie treningu ryby nauczyły się unikać robota drapieżnika, pamięci, która utrzymywała się przez ponad godzinę. Było to szczególnie zaskakujące, biorąc pod uwagę fakt, że rozwijająca się larwa danio pręgowanego zawiera zaledwie 1 procent neuronów w swoim dorosłym odpowiedniku.
„Kiedy masz do czynienia z organizmem takim jak młody danio danio larwalny, który wciąż jest w rozwoju i może jeszcze nie mieć swoich pełnych możliwości poznawczych, okazuje się, że nie zawsze możesz polegać na tych bardziej znormalizowanych technikach i warto wrócić do Bardziej naturalistyczne, istotne ekologicznie zadania, które mogą wykonywać ” – mówi Zocchi. „To była motywacja do przyjęcia tego mniej standardu, a w pewnym sensie Messier podejście z poruszającymi się tym robotami. Ale jak widzieliśmy, to odblokowane zachowanie, których nie widzieliśmy w przeszłości”.
Multiregional Brain Network
Obrazowanie całego mózgu mózgu danio pręgowanego ujawniło dwa połączone sygnały, które są wymagane, aby ryba mogła nauczyć się rozpoznawać i unikać robota drapieżnika.
Szybki sygnał dydaktyczny pochodzi z noradrenergicznego systemu ryb, z komórkami w tylnej części mózgu – regionie, który kontroluje niezbędne funkcje – reaguje na zbliżającego się drapieżnika. Wolniejszy sygnał rozmieszczony na przodomózgowiu – region związany z uczeniem się i planowaniem – koduje obecność robota Predator. Oba regiony są niezbędne do nauki, a wyciszenie jednego z nich usuwa zdolność ryb do nauki. Naukowcy stwierdzili, że Habenula, obszar mózgu, o którym wiadomo, że jest zaangażowany w sygnalizujące wyniki awersyjne, była również niezbędna do nauki.
Nowa praca sugeruje, że ta wieloregionalna sieć mózgu leży u podstaw młodych kręgowców do szybkiego nauki rozpoznawania drapieżników w pierwszym tygodniu życia. Ponieważ dzieje się tak, zanim ryba nauczy się polować lub osiągnąć inne rodzaje uczenia się, badania sugerują, że może nastąpić rozłożone pojawienie się różnych możliwości uczenia się asocjacyjnego i że niektóre umiejętności, które pojawiają się bardzo wcześnie – takie jak nauka ustalenia, które ryby są drapieżnikami i drapieżnikami i drapieżnikami i drapieżnikami które są łagodne – mogą być najważniejszymi metodami uczenia się dla przetrwania.
Odkrycia mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, jak uczenie się dzieje w mózgach z dużymi sieciami neuronów. Neuronaukowcy coraz częściej odkrywają, że nawet proste uczenie się wymaga wkładu z dużych pokosów mózgu, co jest trudne do zbadania u innych zwierząt, ale można je osiągnąć u danio pręgowanego.
„Aby zbadać te bardziej globalne zjawiska, potrzebujesz systemów, w których możesz obejmować bardzo duże odległości przestrzenne nad całym mózgiem, jednocześnie rozwiązywając dynamikę w pojedynczych komórkach”, mówi Zocchi. „Teraz mamy możliwość zbadania tych rzeczy w całym mózgu w stosunkowo bezstronny sposób”.