Ein neuartiges System, das von Janelia-Forschern entwickelt wurde, die den Larven-Zebrafisch in einer Arena mit Raubtierrobotern verfolgen, ermöglicht es Wissenschaftlern, zu verstehen, wie alte Fische in der realen Welt schnell lernen.
Larven -Zebrafisch sind ein unschätzbares Werkzeug für Neurowissenschaftler, die den winzigen, transparenten Fisch verwenden, um zu untersuchen, wie das Gehirn das Verhalten kontrolliert, aber es war für Wissenschaftler schwierig, das Lernen in diesen sich entwickelnden Wirbeltieren zu untersuchen – ein wichtiger Teil des Verständnisses, wie das Gehirn funktioniert.
Frühere Untersuchungen ergaben, dass der junge Zebrafisch einfache Assoziationen lernen kann. Diese Art des Lernens erfolgt jedoch langsam und oft unklug, und es war immer noch unklar, ob tagelige Zebrafisch schnell genug lernen kann, um ihr Gedächtnis in natürlichen Situationen zu verwenden, z. B. das Erkennen und Vermeiden neuer Raubtiere.
Janelia -Forscher unter der Leitung des Postdoktoranden -Wissenschaftlers Dhruv Zocchi und der leitenden Gruppenleiterin Misha Ahrens glaubten, dass traditionelle Wege des Lernens im Larven -Zebrafisch im Labor – wo die Bedingungen weit von dem waren, was der Fisch in freier Wildbahn begegnen würde – möglicherweise nicht wirksam sein – möglicherweise nicht wirksam – Aufdecken, wie die Fische lernen.
Stattdessen beschloss das Team, ein echtes Erlebnis zu simulieren: von etwas verfolgt zu werden, das anfangs nicht wie ein Raubtier aussieht. Um dies zu modellieren, verwendeten die Forscher kleine Roboterzylinder, wobei einige programmiert sind, um raubtierähnliche Eigenschaften zu zeigen.
Mit diesem neuartigen System machten die Forscher die unerwartete Entdeckung, dass nicht nur Larven -Zebrafisch in einem natürlicheren Kontext robust und extrem schnell lernen konnte, sondern auch nur fünf Tage nach Beginn ihres Lebens als einzelne Zellen. Die Forscher zeigten, dass der Larven-Zebrafisch schnell lernte, Nicht-Prächter- und Raubtierroboter zu erkennen, und lernten, letztere zu vermeiden.
„Es war eine offene Frage: Wie intelligent Larven Zebrafisch darin war, schnell zu lernen“, sagt Ahrens. „Dhruv hatte die richtige Intuition dafür, wie es geht, und die richtige Kühnheit, um etwas ganz anderes auszuprobieren.“
Simulation des realen Lernens
In freier Wildbahn sind die Raubtiere eines Zebrafischen nicht immer gleich: Sie können von Generation zu Generation variieren, wenn Zebrafisch und Raubtiere wandern. In diesen Situationen müssen die Fische schnell lernen, wer in ihrer Umgebung zu vermeiden ist, sodass das Team der Meinung war, dass dies ein idealer Kontext für das Testen der Lernfunktionen von Larven -Zebrafisch ist.
Um diese Erfahrung zu simulieren, platzierten die Forscher zunächst einen Roboter in einer Arena mit einem frei schwimmenden Zebrafisch. Während der Roboter stationär war, erkundeten der Fisch die gesamte Arena, einschließlich des Gebiets um den Roboter.
Als nächstes ließen die Forscher den Roboter etwa eine Minute lang den Fisch verfolgten, bevor sie wieder stationär wurden. Nur eine Minute der Verfolgung ermöglichte es dem Fisch, zu erfahren, dass der Roboter gefährlich sein könnte, was dazu führte, dass der Fisch den Bereich um den Roboter länger als eine Stunde lang vermeidet-eine große Veränderung gegenüber dem Nicht-Vermehrungsverhalten vor der Verfolgungsjagd.
Als die Forscher einen zweiten Roboter einführten, der den Fischen nicht verfolgte, meiden der Fisch nur den Roboter, der ihn verfolgte, und zeigte eine gut entwickelte Fähigkeit, gefährlich von gutartigen Einheiten in der Umwelt zu unterscheiden.
Zusammen deuten diese Experimente darauf hin, dass der Fisch nach nur einer Minute Training den Raubtierroboter vermeiden lernte, ein Gedächtnis, das länger als eine Stunde lang bestand. Dies war besonders überraschend, da eine sich entwickelnde Zebrafisch -Larve nur etwa 1 Prozent der Neuronen in ihrem Erwachsenenkollegen enthält.
„Wenn Sie mit einem Organismus wie dem jungen Larven -Zebrafisch zu tun haben, der sich noch in der Entwicklung befindet und möglicherweise noch nicht seine vollständigen kognitiven Fähigkeiten hat, können Sie sich nicht immer auf diese standardisierten Techniken verlassen, und es ist nützlich, zurück zu gehen, um zurückzukehren naturalistischere, ökologisch relevante Aufgaben, die sie ausführen können „, sagt Zocchi. „Das war die Motivation, diesen weniger Standard und in gewissem Sinne einen unordentlicheren Ansatz zu nehmen, wobei sich diese Roboter bewegten. Aber wie wir sahen, dieses freigeschaltete Verhalten, das wir in der Vergangenheit nicht gesehen hatten.“
Ein Multiregional -Gehirnnetzwerk
Die Bildgebung des Ganzhirns des Zebrafisch-Gehirns ergab zwei verknüpfte Signale, die für die Fische erforderlich sind, um zu lernen, den Raubtierroboter zu erkennen und zu vermeiden.
Ein schnelles, Lehrsignal stammt aus dem noradrenergen System des Fischs, wobei die Zellen im Hinterhirn – eine Region, die wesentliche Funktionen steuert – auf den sich nähernden Raubtier reagiert. Ein langsameres Signal, das über den Vorderhirn verteilt ist – eine Region, die mit Lernen und Planung verbunden ist – codiert das Vorhandensein des Raubtierroboters. Beide Regionen sind für das Lernen erforderlich, und eine der Schweigen eines von ihnen entfernt die Fähigkeit des Fisches, zu lernen. Die Forscher fanden heraus, dass die Habenula, ein Gehirnbereich, von denen bekannt ist, dass sie an den signalisierten aversiven Ergebnissen beteiligt ist, ebenfalls zum Lernen erforderlich war.
Die neue Arbeit legt nahe, dass dieses multi-regionale Gehirnnetzwerk der Fähigkeit junger Wirbeltiere zugrunde liegt, in ihrer ersten Lebenswoche schnell zu lernen, Raubtiere zu erkennen. Da dies geschieht, bevor der Fisch lernt, andere Arten des Lernens zu jagen oder zu erreichen die gutartig sind – könnte die wichtigsten Lernmodalitäten für das Überleben sein.
Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie das Lernen in Gehirnen mit großen Netzwerken von Neuronen geschieht. Neurowissenschaftler entdecken zunehmend, dass selbst ein einfaches Lernen über große Hirnteile in Bezug auf große Teile des Gehirns erforderlich ist, was bei anderen Tieren schwer zu untersuchen ist, aber auf Zebrafisch erreicht werden kann.
„Um diese globaleren Phänomene zu untersuchen, benötigen Sie Systeme, in denen Sie sehr große räumliche Entfernungen über das gesamte Gehirn abdecken können, während Sie gleichzeitig die Dynamik in einzelnen Zellen auflösen“, sagt Zocchi. „Wir haben jetzt die Möglichkeit, diese Dinge auf relativ unvoreingenommene Weise hirnweit zu untersuchen.“
