Os ratos podem realmente aprender muito mais rápido do que se pensava anteriormente

Os ratos podem realmente aprender muito mais rápido do que se pensava anteriormente

Labirinto de queijo de rato

Uma nova configuração experimental para estudar o comportamento e aprendizagem animal.

Seu trajeto para o trabalho pode parecer algo mundano, mas é um ótimo exemplo das tarefas complicadas que nosso cérebro deve realizar diariamente: navegação, memória, tomada de decisões, processamento sensorial e assim por diante. Os pesquisadores costumam usar modelos animais, como ratos, para estudar os processos neurais subjacentes a esses comportamentos. No entanto, muitas das tarefas usadas para estudar o aprendizado em ratos não são “naturais” – não são comportamentos que um rato possa ter durante sua vida.

Os pesquisadores da Caltech realizaram um estudo no qual mediram como os ratos navegam em um labirinto complicado, sugerindo uma nova estrutura para estudar comportamentos e aprendizado de animais complexos. Os ratos aprenderam rapidamente como navegar neste ambiente desconhecido cerca de 1.000 vezes mais rápido do que os ratos geralmente aprendem tarefas simples, mas não naturais. O estudo tem implicações em como pensamos sobre o cérebro e o papel do corpo na inteligência. Curiosamente, os alunos de pós-graduação da Caltech tiveram um desempenho semelhante ao dos ratos ao navegar por uma versão simulada do mesmo labirinto.

A pesquisa é uma colaboração entre os laboratórios de Markus Meister (PhD ’87), Anne P. e Benjamin F. Biaggini Professor de Ciências Biológicas, e Pietro Perona, Allen E. Puckett Professor de Engenharia Elétrica. Um artigo descrevendo o estudo apareceu online no jornal eLife em 21 de julho de 2021.


Os alunos de graduação Matthew Rosenberg e Tony Zhang discutem sua nova configuração experimental para observar como os ratos aprendem em um ambiente naturalista. Crédito: Caltech

Imagine que um volante está colocado à sua frente. Quando uma luz acende à sua esquerda, você deve girar a roda para a esquerda; quando uma luz acende à sua direita, você deve girar a roda para a direita. Dado que há apenas duas decisões a serem tomadas – virar à esquerda ou à direita – provavelmente não levaria tempo algum para aprender esta tarefa simples. Um rato de laboratório, no entanto, pode precisar de cerca de 10.000 tentativas para aprender corretamente como fazer uma tarefa como esta. Mesmo assim, o mouse pode acertar apenas 80% das vezes. A tarefa, embora pareça simples para humanos, não é uma tarefa muito natural para um camundongo.

“Nos últimos anos, temos tentado desenvolver abordagens experimentais que respeitem mais a complexidade do comportamento animal natural, coisas mais semelhantes ao que os animais fazem no mundo real”, diz Meister.

Liderada pelos estudantes de graduação Matthew Rosenberg e Tony Zhang, a equipe desenvolveu um labirinto complexo para os ratos explorarem, apresentando 63 junções de decisão e 64 pontos finais possíveis. Dentro do labirinto há uma porta de água que dispensa uma pequena gota d’água. Os pesquisadores deram a um camundongo acesso individual ao labirinto de sua gaiola e permitiram que ele explorasse como desejasse por uma noite. Uma câmera de vídeo rastreou os movimentos do mouse e quantificou o comportamento exploratório.

“Neste estudo, expomos um mouse a um ambiente de labirinto complexo, ligamos uma câmera e simplesmente saímos da sala”, diz Meister. “Não exercemos influência sobre o animal. Acabamos de voltar sete horas depois e analisar os vídeos do que o mouse fez durante esse tempo. Permitimos que o mouse tome os tipos de decisões que os ratos tomam, em vez de forçá-los a aceitar alguma tarefa abstrata que realmente não tem relevância. ”

Em cerca de metade desses experimentos, o camundongo estava com sede e pode-se presumir que foi motivado por um impulso para encontrar água. Na outra metade, os ratos estavam saciados. Embora um camundongo com sede não saiba que há água dentro dele, ele explorará o labirinto metodicamente. Depois de descobrir o porto de água pela primeira vez, o mouse leva em média apenas 10 tentativas para descobrir a rota direta mais eficiente para o porto a partir de sua gaiola. A rota mais direta requer seis decisões corretas.

Todos os 19 camundongos usados ​​no estudo tendiam a seguir certas “regras de exploração”. Por exemplo, ao encontrar uma conjuntura, um mouse pode escolher ir para a esquerda, direita ou voltar por onde veio. Todos os 19 ratos tiveram uma forte preferência por seguir em frente e não se virar. Além disso, os ratos tendiam a alternar pegando à direita e à esquerda durante a exploração. Se essas “regras” resultaram de experiências ou se foram geneticamente conectadas ao cérebro, ainda não foi descoberto.

Rosenberg e Zhang então criaram uma réplica do labirinto como um videogame e convidaram seus colegas de laboratório para explorar o labirinto digitalmente. Os alunos tiveram um desempenho semelhante ao dos ratos, aprendendo a navegar após um número semelhante de experiências bem-sucedidas.

Um componente-chave do aprendizado “rápido” dos ratos é um fenômeno que os pesquisadores apelidaram de “percepção repentina”. Em experimentos de aprendizado mais tradicionais com o mouse, como a tarefa do volante, o mouse de laboratório tende a aprender lentamente, melhorando gradualmente a execução correta da tarefa. Mas no paradigma do labirinto, cada rato mostrou uma espécie de “momento de lâmpada”, onde eles pareceram de repente entender como navegar no labirinto.

“Vemos que para a maioria dos ratos premiados – aqueles para os quais a sede pode ter sido uma força motriz – de repente algo ‘clica’ para eles”, diz Zhang. “Depois desse momento aha, os animais começam a tomar caminhos complexos, mas diretos para o local da água com muito mais frequência, indicando que eles estão juntando todos os seus conhecimentos sobre como navegar no labirinto.”

“Encontramos uma maneira de projetar uma tarefa que explora as principais capacidades do mouse”, diz Rosenberg. “Algumas pessoas podem dizer que os ratos são burros, mas se você explorar seu nicho evolutivo central, terá a oportunidade de observar um comportamento habilidoso. Isso nos permite obter uma verdadeira compreensão de como o aprendizado está acontecendo. ”

Referência: “Ratos em um labirinto mostram aprendizado rápido, percepção repentina e exploração eficiente” por Matthew Rosenberg, Tony Zhang, Pietro Perona e Markus Meister, 21 de julho de 2021, eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66175

O artigo é intitulado “Ratos em um labirinto: aprendizado rápido, percepção repentina e exploração eficiente”. Os alunos de pós-graduação Matthew Rosenberg e Tony Zhang são os co-primeiros autores. Outros co-autores são Perona e Meister. O financiamento foi fornecido pela Simons Collaboration on the Global Brain, a National Science Foundation e o Google. Meister e Perona são membros do corpo docente afiliados ao Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience da Caltech.

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