Wie Mäuse den besten Fluchtweg wählen

Sich einer drohenden Gefahr zu entziehen, ist überlebenswichtig. Tiere müssen schnell genug eine neue Umgebung lernen, um den kürzesten Weg in Sicherheit wählen zu können. Aber wie tun sie das, ohne jemals Bedrohung in der neuen Umgebung erlebt zu haben?

Neurowissenschaftler am Sainsbury Wellcome Centre der UCL untersuchten, wie Mäuse etwas über ihre räumliche Umgebung und die Verhaltensstrategien lernen, die sie anwenden, um den kürzesten Weg zu einem Tierheim zu wählen, wenn sie Angst haben.

In einer neuen Studie, die heute in veröffentlicht wurde Aktuelle Biologiezeigen die Forscher, dass Mäuse nach nur 10 Minuten Erkundung der Umgebung den kürzesten Fluchtweg lernen und keine vorherige Bedrohungserfahrung benötigen.

„In vielen neurowissenschaftlichen Studien werden Mäuse darauf trainiert, komplexe Labyrinthe zu lösen, und ihnen wird viel Zeit gegeben, dies zu lernen. Aber in der Natur haben Mäuse diesen Luxus nicht – wenn sie einer Bedrohung ausgesetzt sind, müssen sie so schnell wie möglich in einen Unterschlupf fliehen.“ Die Frage ist, wie Mäuse das sehr schnell lernen, ohne die Möglichkeit von Trial-and-Error“, sagte Tiago Branco, Gruppenleiter am Sainsbury Wellcome Centre und korrespondierender Autor des Papiers.

Um dieser Frage nachzugehen, führten die SWC-Forscher eine Reihe von Verhaltensexperimenten durch, bei denen sie Mäusen die Wahl zwischen zwei oder drei Routen zurück zu einem Unterschlupf ließen. Die Wissenschaftler verwendeten ein lautes Geräusch oder einen drohenden Reiz, der ein Raubtier simulierte, um die Mäuse zu erschrecken, und beobachteten dann ihren Weg zurück zum Unterschlupf.

Erstens blockierten die Neurowissenschaftler den direkten Weg zum Unterschlupf und stellten fest, dass die Mäuse lernten, einen der anderen Wege zu benutzen. Als nächstes untersuchten die Forscher, ob die Mäuse richtig zwischen zwei unterschiedlich langen Wegen wählen konnten. Die Experimente fanden im Dunkeln statt, sodass die Mäuse den kürzesten Weg nicht erkennen konnten. Die Forscher beobachteten jedoch, dass Mäuse tatsächlich den kürzeren Weg bevorzugen, insbesondere wenn ein größerer Unterschied zwischen den Längen der beiden Wege besteht.

Um zu verstehen, wie die Mäuse das lernen, untersuchten die Forscher diejenigen, die zum ersten Mal eine Bedrohung erlebten, und beobachteten, dass die unerfahrenen Mäuse bereits den kürzeren Weg bevorzugten. Daher müssen die Mäuse diese Informationen durch natürliche Erkundung erlangen und müssen nicht erst Bedrohung erfahren, um zu lernen, wie sie den besten Fluchtweg wählen. Darüber hinaus lernten die Mäuse dies nach nur 10 Minuten Erkundung der Umgebung.

„Mäuse werden von vielen Arten gefressen, daher ist es für eine Maus sehr wichtig zu wissen, wie sie sich in Sicherheit bringen kann. Wenn Sie eine Maus in eine neue Umgebung bringen, besteht ihre Priorität darin, den Raum zu kartieren und herauszufinden, wie sie zu einem Safe gelangt Das liegt im natürlichen Verhaltensrepertoire der Maus und muss nicht explizit angewiesen werden“, sagt Tiago Branco.

Traditionell wird angenommen, dass Tiere lernen, den Wert von etwas zu erfahren und dies auf die räumliche Geometrie abzubilden. Wenn Mäuse zum Beispiel wiederholt einer Bedrohung ausgesetzt waren und sich durch den langen Weg zurück in Sicherheit gestresst fühlten, würden sie dem längeren Weg einen niedrigeren Wert zuordnen und lernen, stattdessen den kürzeren Weg zu gehen.

In diesem Experiment taten die Tiere dies jedoch nicht. Stattdessen gingen die Mäuse davon aus, dass der kurze Weg der beste Fluchtweg sei. Die Forscher bezeichnen diese Annahme als eine angeborene Heuristik. Durch die Evolution haben Mäuse eine Reihe von neuronalen Schaltkreisen erworben, die ihnen die Fähigkeit verleihen, diese angeborenen Entscheidungen nach der natürlichen Erkundung zu treffen.

„Tiere sind sehr gut darin, die Dinge zu lernen, die ihnen wichtig sind. Um das Mausgehirn und die Algorithmen und neuronalen Schaltkreise zu verstehen, die das Lernen unterstützen, ist es wichtig, sich die Verhaltensweisen anzusehen, zu denen die Maus entwickelt wurde, und die Einschränkungen, die sie haben schnell und effizient lernen“, kommentierte Tiago Branco.

Um die Algorithmen zu untersuchen, die das Gehirn verwenden könnte, um es den Mäusen zu ermöglichen, den besten Fluchtweg zu wählen, untersuchten die Forscher drei verschiedene Rechenmodelle und fragten, ob die künstlichen Algorithmen bei dieser Aufgabe genauso gut abschneiden könnten wie die Mäuse. Sie fanden heraus, dass die drei Algorithmen alle sehr gut funktionierten, wenn man die künstliche Maus lange erkunden ließ. Die echte Maus hatte jedoch nur 10 Minuten Zeit, um sie zu erkunden.

Und so fütterten die Forscher die künstliche Maus mit den Trajektorien, die die echte Maus nahm, und stellten fest, dass der einfachste mögliche Algorithmus, genannt modellfrei, nicht lernen konnte, den kürzesten Weg zu wählen. Die beiden komplexeren Modelle, die als modellbasiert bezeichnet werden, konnten den besten Fluchtweg lernen, aber sie waren nur etwa die Hälfte der Zeit richtig. Das gibt den Forschern Aufschluss darüber, was das Gehirn braucht, damit die Mäuse den optimalen Fluchtweg wählen können.

Die nächsten Schritte für die Forscher bestehen darin, tiefer einzutauchen, wie dies im Gehirn funktioniert und wie Mäuse in diesem natürlichen Paradigma Werte auf Handlungen abbilden. Diese Frage ist ein kleiner Teil des größeren Puzzles, wie Tiere entscheiden, welche Aktionen sie ausführen werden, basierend auf ihrer Erwartung, was kurz- oder langfristig das Beste sein wird. Die Neurowissenschaftler hoffen, diese Form der Wertezuordnung in einem Handlungsverhalten zu verstehen, um einen Einblick in die Arten von Algorithmen zu erhalten, die das Gehirn möglicherweise verwendet, um schnelles Lernen zu implementieren.

Zur Verfügung gestellt vom Sainsbury Wellcome Center