如何在读线之间读数令人恼火?一个值得鼠标侦探的谜题。

在哪里奖

奖在哪里?多亏了它们的推理能力,老鼠和人类一样有可能发现它。信贷:•迪奥戈Matias

有些人觉得擅长“在线之间阅读”。他们似乎很了解,在别人之前,谁是电影中的杀手,或抽象诗的含义。这些人被赋予的是强大的推理能力 - 使用间接证据弄清楚隐藏信息。

但推理不是幸运的技能。相反 - 我们都定期使用推理,我们只是没有意识到它,因为它自然地对我们来说。自早期以来,我们的生存至关重要,当我们使用它来弄清楚寻找食物的时间和地点。例如,我们使用间接证据,例如植被中的微弱沙斑,或者存在半吃的叶子,推断兔子必须靠近。

尽管推理在我们的生活中扮演着如此重要的角色,但神经科学家长期以来一直在努力理解它在大脑中是如何产生的。一种方法是设计实验,利用啮齿类动物的这种认知技能,啮齿类动物比大多数人意识到的更像我们。

然而,设计实验任务来探索在啮齿动物中的推理已经被证明是一个挑战。虽然有些任务被证明是太难了,但有些任务的结果却模棱两可,因为它们也可以用不那么复杂的策略来解决。

现在,葡萄牙里斯本香榭丽丽康默中心的科学家们发现了一种出路。在他们的学习中,今天(2月11日)在科学期刊上发表神经元该团队展示了他们优雅的实验设计,以及涉及的关键大脑区域的识别,以及与之匹配的人类电子游戏版本。

一个值得鼠标侦探的谜题

是什么巧妙的元素让这个新的实验设计成功了,而其他人却失败了?主持这项研究的首席研究员扎卡里·迈南(Zachary Mainen)认为,原因是它更符合老鼠的本性。“我们决定利用老鼠天生的觅食技能,创造一个让老鼠感觉更自然的任务,而不是强加给老鼠,让它们不得不表现得像‘小人类’一样。”它们在寻找食物和水时也依赖同样的技能。”

在实验中,老鼠必须通过推理来发现水奖励的位置。“在任何给定的时刻,水奖励都可以出现在两个喷口中的一个。如果老鼠成功地拼凑出证据,它们会优化自己的行为;在不同的喷口之间切换以获得最小延迟的奖励,”麦宁解释道。

奖励的位置是由两个独立变量控制的,这两个变量小鼠都不知道。该研究的作者Pietro Vertechi说:“老鼠必须通过反复试验来推断这些变量是什么,逐渐破译游戏规则。”

第一个变量是在活水喷口接受水的概率。“即使喷口是活跃的,它也不总是提供水。实验鼠必须意识到,在任何一次尝试中缺乏水并不一定意味着喷口不活跃,”Vertechi解释道。

第二个变量增加了任务的复杂性:喷口在活跃状态和非活跃状态之间切换的概率(这实际上意味着切换奖励的位置)被设定在一个特定的值上,老鼠也必须弄清楚这个值。

这种设计使研究人员能够精确地控制实验的挑战性。例如,一个相对简单的场景可能同时拥有获得水奖励和位置开关的高概率。在这种情况下,缺乏水奖励可能意味着老鼠在错误的喷口。

另一方面,如果两种可能性都很低,老鼠就很难决定该怎么做。在这种情况下,在给定的尝试中缺乏水并不能强烈地表明已经发生了转换。

嗅出游戏规则

令人惊讶的是,老鼠能够很快地弄清楚发生了什么。Vertechi说道:“他们在几个回合中优化了自己的行为,并根据游戏规则调整尝试喷口的次数。结果,他们在困难的、信息缺乏的情况下比在容易的情况下容忍更多的失败。”

小鼠可以掌握这项复杂任务确实非常令人印象深刻。但研究人员如何表明这些结果与推论兼容,而不是另一种解决问题策略?

该研究的一位作者Eran Lottem认为,啮齿动物采用的标准策略会导致完全不同的结果。研究人员普遍认为,老鼠是由直接奖励率驱动的。如果是这样的话,它们就会呆在平均能给它们更多奖励的水口上,并且继续尝试更长的时间,甚至在水口变得不活跃之后。相反,我们的老鼠在确信它们的喷口不再活跃时就切换了,不管它在过去有多么值得。这有力地支持了老鼠所做的是推理。”

老鼠和人类

为了直接比较不同物种的表现,该团队开发了一个适用于人类的版本。“这也是一种‘觅食’任务,但这次,研究对象不是在寻找水,而是在寻找猎物,”该研究的另一位作者达里奥·萨拉(Dario Sarra)说。

在人类版本中,受试者玩一个电子游戏,游戏中隐藏的信息是藏在城堡后面的怪物的位置。目标是通过扔石头来击中怪物。就像老鼠一样,实验对象必须计算出两组变量:在正确位置击中怪物的概率,以及位置转换的概率。

他们的结果表明,老鼠和人类以一种非常相似的方式解决了这个任务。萨拉说:“我们不仅发现这两个物种的策略实际上完全相同,而且发现它们对同样的挑战都很敏感。”具体来说,当奖励和状态转换的可能性较低时,两种动物的推理过程都需要更长的时间,从而产生更高的不确定性。然而,不管有什么困难,人类比老鼠更快地弄清了发生了什么,在第一阶段就已经达到了最佳表现。”

根据Mainen的说法,他们的结果意味着“视频游戏使我们的小鼠造成鼠标。一些视频游戏,如我们开发的那样,在这种情况下挖掘基本行为。我们惊讶地发现这两个物种表现得如此同样。但后来,它只是为了展示这两个物种的共同之处。“

下一步

该团队打算使用人类和老鼠版本的任务作为工具来研究这种认知过程背后的神经机制。“在这项研究中,我们已经开始探索其中的一些问题。特别是,我们观察到大脑中一个叫做眼窝前额皮质的区域在推理过程中起着关键作用。在眼窝前额皮质被灭活的试验中,老鼠恢复了一种更简单、更天真的策略。这是一个令人兴奋的发现,它将帮助我们进一步深入研究大脑中推理是如何发生的,”Mainen说。

此外,该团队也很好奇这项任务的电子游戏版本是否可以用来描述特定的心理特征。“例如,”Vertechi解释道,“患有冲动控制障碍或抑郁症的人倾向于采取特定的策略吗?如果我们发现这个问题的答案是肯定的,那么我们就可以利用类似的啮齿动物任务来评估这些特定情况下的神经机制,”他总结道。

参考:“隐藏国家觅食任务的推断决策:前额外皮质区域的差异贡献”由Pietro Vertechi,Eran Lottem,Dario Sarra,Betriz Godinho,Isaac Treves,Tiago Quendera,Matthijs Nicolai Oude Lohuis和Zachary F.Hainen,2020年2月11日,神经元
DOI:10.1016 / J.NEURON.2020.01.017

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