老鼠的学习速度比以前想象的要快得多

上班通勤可能看起来很平凡，但它是我们大脑每天必须执行的复杂任务的一个很好的例子：导航、记忆、决策、感觉处理等等。研究人员经常使用小鼠等动物模型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并不是“自然的”——它们不是老鼠在其生命过程中可能会做出的行为。

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穿行，提出了一个研究复杂动物行为和学习的新框架。老鼠很快学会了如何在这个陌生的环境中导航，比老鼠通常学习简单但不自然的任务快 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重要意义。有趣的是，加州理工学院的研究生在导航相同迷宫的模拟版本时的表现与老鼠相似。

这项研究是 Markus Meister (Ph.D. '87)、Anne P. 和 Benjamin F. Biaggini 生物科学教授以及 Pietro Perona 实验室之间的合作，他是 Allen E. Puckett 电气工程教授。一篇描述该研究的论文于 2021 年 7 月 21 日在线发表在eLife杂志上。

想象一个方向盘放在你面前。当您左侧的灯亮起时，您必须向左转动方向盘；当您右侧的灯亮起时，您必须向右转动方向盘。鉴于只需要做出两个决定——左转或右转——你可能根本不需要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 10,000 次试验才能正确学习如何完成这样的任务。即便如此，鼠标可能也只能在 80% 的时间内得到正确的结果。这项任务虽然对人类来说似乎很简单，但对老鼠来说却不是一件很自然的事情。

“在过去的几年里，我们一直在尝试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，”迈斯特说。

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，具有 63 个决策节点和 64 个可能的端点。迷宫内有一个水口，可以分配一小滴水。研究人员让一只单独的老鼠从它的笼子里进入迷宫，并让它按照自己的意愿探索一晚。摄像机跟踪鼠标的运动并量化探索行为。

“在这项研究中，我们将一只老鼠暴露在复杂的迷宫环境中，打开相机，然后走出房间，”梅斯特说。“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老鼠在那段时间所做的事情的视频。我们允许老鼠做出老鼠做出的那种决定，而不是强迫它们接受一些真正无关紧要的抽象任务。”

在大约一半的这些实验中，老鼠口渴，可以假设是出于寻找水的动力。在另一半中，老鼠吃饱了。虽然口渴的老鼠不知道里面有水，但它会有条不紊地探索迷宫。在第一次发现水港后，老鼠平均只需要 10 次尝试就可以找出从它的家笼子到港口的最有效、最直接的路线。最直接的路线需要六个正确的决定。

研究中使用的 19 只老鼠都倾向于遵循某些“探索规则”。例如，当遇到关口时，鼠标可以选择向左、向右或返回原路。所有 19 只老鼠都强烈偏好继续前进而不是转身。此外，小鼠在探索时倾向于交替左转和右转。这些“规则”是由经验产生还是从基因上硬连入大脑仍有待发现。

Rosenberg 和 Zhang 随后制作了一个迷宫的复制品作为电子游戏，并邀请他们的研究生实验室伙伴以数字方式探索迷宫。学生们的表现与老鼠相似，在经历了相似数量的成功经验后学习如何导航。

老鼠“快速”学习的一个关键组成部分是一种被研究人员称为“突然洞察”的现象。在更传统的鼠标学习实验中，例如方向盘任务，实验室鼠标会倾向于学习缓慢，逐渐提高正确完成任务的能力。但在迷宫范式中，每只老鼠都表现出一种“灯泡时刻”，它们似乎突然明白了如何在迷宫中导航。

“我们看到，对于大多数获得奖励的老鼠——那些口渴可能是驱动力的老鼠——突然间，有些东西对它们产生了‘咔嚓’声，”张说。“在这个‘啊哈时刻’之后，动物开始更频繁地采取复杂而直接的路径到达水域，这表明它们正在将他们关于在迷宫中导航的知识整合在一起。”

“我们找到了一种方法来设计一项利用老鼠核心能力的任务，”罗森伯格说。“有些人可能会说老鼠很笨，但如果你利用它们的核心进化生态位，你就有机会观察到熟练的行为。这让我们能够真正了解学习是如何发生的。”