Neue Forschungsergebnisse zeigen, warum Sie nicht perfekt sein müssen, um die Arbeit zu erledigen

Wenn Neurowissenschaftler über die Strategie nachdenken, die ein Tier zur Erfüllung einer Aufgabe verwenden könnte – etwa zur Nahrungssuche, zur Jagd auf Beute oder zum Navigieren in einem Labyrinth –, schlagen sie oft ein einzelnes Modell vor, das den besten Weg darlegt, wie das Tier diese Aufgabe erfüllen kann.

Doch in der realen Welt gehen Tiere – und Menschen – möglicherweise nicht den optimalen Weg, der ressourcenintensiv sein kann. Stattdessen verwenden sie eine Strategie, die gut genug ist, um die Aufgabe zu erledigen, aber viel weniger Gehirnleistung erfordert.

In neue Forschung Erscheint in Wissenschaftliche FortschritteDie Wissenschaftler von Janelia wollten die möglichen Wege besser verstehen, mit denen ein Tier ein Problem erfolgreich lösen kann, und dabei nicht nur die beste Strategie wählen.

Die Arbeit zeigt, dass es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, wie ein Tier eine einfache Aufgabe der Nahrungssuche bewältigen kann. Sie legt auch einen theoretischen Rahmen zum Verständnis dieser verschiedenen Strategien dar, wie sie zueinander in Beziehung stehen und wie sie dasselbe Problem auf unterschiedliche Weise lösen.

Die Forscher fanden heraus, dass einige dieser nicht ganz perfekten Möglichkeiten, eine Aufgabe zu bewältigen, beinahe genauso gut funktionieren wie die optimale Strategie, jedoch mit wesentlich weniger Aufwand verbunden sind. So haben die Tiere mehr Zeit, wertvolle Ressourcen für die Bewältigung mehrerer Aufgaben einzusetzen.

„Sobald Sie sich von dem Drang zur Perfektion lösen, werden Sie überrascht sein, wie viele Möglichkeiten es gibt, ein Problem zu lösen“, sagt Tzuhsuan Ma, ein Postdoc im Hermundstad Lab, der die Forschung leitete.

Das neue Konzept könnte Forschern dabei helfen, diese „gut genug“-Strategien zu untersuchen. Dabei geht es unter anderem darum, warum unterschiedliche Personen unterschiedliche Strategien anwenden, wie diese Strategien zusammenarbeiten und wie allgemeingültig die Strategien auf andere Aufgaben sind. Das könnte helfen zu erklären, wie das Gehirn Verhalten in der realen Welt ermöglicht.

„Viele dieser Strategien hätten wir uns als mögliche Lösungswege für diese Aufgabe nie ausdenken können, aber sie funktionieren gut, sodass es durchaus möglich ist, dass auch Tiere sie anwenden“, sagt Janelia-Gruppenleiterin Ann Hermundstad. „Sie geben uns ein neues Vokabular zum Verständnis von Verhalten.“

Über Perfektion hinausblicken

Die Forschung begann vor drei Jahren, als Ma anfing, über die verschiedenen Strategien nachzudenken, die ein Tier möglicherweise verwenden könnte, um eine einfache, aber alltägliche Aufgabe zu bewältigen: die Wahl zwischen zwei Optionen, bei der sich die Chance auf eine Belohnung mit der Zeit ändert.

Die Forscher wollten eine Gruppe von Strategien untersuchen, die zwischen optimalen und völlig zufälligen Lösungen liegen: „kleine Programme“, die zwar über begrenzte Ressourcen verfügen, aber trotzdem ihre Aufgabe erfüllen. Jedes Programm gibt einen anderen Algorithmus vor, um die Aktionen eines Tieres auf der Grundlage früherer Beobachtungen zu steuern, sodass es als Modell für das Verhalten von Tieren dienen kann.

Wie sich herausstellt, gibt es viele solcher Programme – etwa eine Viertelmillion. Um diese Strategien zu verstehen, untersuchten die Forscher zunächst eine Handvoll der leistungsstärksten. Überraschenderweise stellten sie fest, dass diese im Wesentlichen dasselbe bewirkten wie die optimale Strategie, obwohl sie weniger Ressourcen verbrauchten.

„Wir waren ein wenig enttäuscht“, sagt Ma. „Wir haben so viel Zeit damit verbracht, nach diesen kleinen Programmen zu suchen, und sie folgen alle derselben Berechnung, die das Fachgebiet bereits ohne all diesen Aufwand mathematisch herleiten konnte.“

Doch die Forscher waren motiviert, weiterzusuchen – sie hatten die starke Intuition, dass es Programme geben musste, die zwar gut waren, aber von der optimalen Strategie abwichen. Als sie über die allerbesten Programme hinausschauten, fanden sie, wonach sie suchten: etwa 4.000 Programme, die in diese Kategorie „gut genug“ fielen. Und was noch wichtiger war: Mehr als 90 % von ihnen machten etwas Neues.

Sie hätten hier aufhören können, aber die Frage eines anderen Janelianers spornte sie an: Wie könnten sie herausfinden, welche Strategie ein Tier anwendete?

Diese Frage veranlasste das Team, sich eingehend mit dem Verhalten einzelner Programme zu befassen und einen systematischen Ansatz zu entwickeln, um über die gesamte Sammlung von Strategien nachzudenken. Zunächst entwickelten sie eine mathematische Methode, um die Beziehungen der Programme zueinander durch ein Netzwerk zu beschreiben, das die verschiedenen Programme miteinander verband. Als Nächstes untersuchten sie das durch die Strategien beschriebene Verhalten und entwickelten einen Algorithmus, der zeigen sollte, wie sich eines dieser „gut genugen“ Programme aus einem anderen entwickeln könnte.

Sie fanden heraus, dass kleine Änderungen am optimalen Programm zu großen Verhaltensänderungen führen können, ohne dass die Leistung darunter leidet. Wenn einige dieser neuen Verhaltensweisen auch bei anderen Aufgaben nützlich sind, deutet dies darauf hin, dass dasselbe Programm für die Lösung einer Reihe unterschiedlicher Probleme gut genug sein könnte.

„Wenn man davon ausgeht, dass ein Tier kein Spezialist ist, der darauf optimiert ist, nur ein Problem zu lösen, sondern eher ein Generalist, der viele Probleme löst, dann ist dies wirklich eine neue Art, das zu untersuchen“, sagt Ma.

Die neue Arbeit bietet Forschern einen Rahmen, um über einzelne, optimale Programme für das Verhalten von Tieren hinauszudenken. Jetzt konzentriert sich das Team darauf, zu untersuchen, wie allgemeingültig die kleinen Programme auf andere Aufgaben sind, und neue Experimente zu entwerfen, um herauszufinden, welches Programm ein Tier möglicherweise verwendet, um eine Aufgabe in Echtzeit auszuführen. Sie arbeiten auch mit anderen Forschern bei Janelia zusammen, um ihren theoretischen Rahmen zu testen.

„Letztendlich ist ein gutes Verständnis des Verhaltens eines Tieres eine wesentliche Voraussetzung, um zu verstehen, wie das Gehirn verschiedene Arten von Problemen löst, darunter auch einige, die unsere besten künstlichen Systeme nur ineffizient oder gar nicht lösen“, sagt Hermundstad. „Die größte Herausforderung besteht darin, dass Tiere möglicherweise ganz andere Strategien verwenden, als wir zunächst annehmen, und diese Arbeit hilft uns, diesen Spielraum der Möglichkeiten aufzudecken.“