Личинки рыбок данио являются бесценным инструментом для нейробиологов, которые используют крошечных прозрачных рыбок для исследования того, как мозг управляет поведением, но ученым было трудно изучать обучение у этих развивающихся позвоночных - важную часть понимания того, как работает мозг.

Предыдущее исследование показало, что молодые рыбки данио могут усваивать простые ассоциации. Но этот тип обучения происходит медленно и часто ненадежно, и все еще было неясно, могут ли однодневные рыбки данио учиться достаточно быстро, чтобы использовать свою память в естественных ситуациях, например, распознавать новых хищников и избегать их.

Исследователи из Джанелии во главе с докторантом Дхрувом Зокки (Dhruv Zocchi) и старшим руководителем группы Мишей Аренс (Misha Ahrens) полагали, что традиционные способы тестирования обучения личинок данио в лабораторных условиях, где условия были далеки от тех, с которыми рыба столкнулась бы в дикой природе, могут оказаться неэффективными для выявления того, как рыба учится.

Вместо этого команда решила смоделировать реальный опыт: быть преследуемым чем-то, что изначально не похоже на хищника. Чтобы смоделировать это, исследователи использовали небольшие роботизированные цилиндры, некоторые из которых были запрограммированы на проявление характеристик хищника.

Используя эту новую систему, исследователи сделали неожиданное открытие, что личинки рыбок данио не только могут надежно и чрезвычайно быстро обучаться в более естественных условиях, но и могут делать это всего через пять дней после начала своей жизни в виде отдельных клеток. Исследователи показали, что личинки рыбок данио быстро научились распознавать роботов, не являющихся хищниками, и роботов-хищников-хищниц и научились избегать последних.

"Это был открытый вопрос: насколько умны личинки данио с точки зрения способности к быстрому обучению", - говорит Аренс. "У Дхрува была правильная интуиция относительно того, как это сделать, и правильная смелость попробовать что-то совсем другое".

Имитация обучения в реальной жизни

В дикой природе хищники рыбок данио не всегда одинаковы: они могут меняться от поколения к поколению по мере миграции рыбок данио и хищников. В таких ситуациях рыбам необходимо быстро усвоить, кого в их среде следует избегать, поэтому команда решила, что это будет идеальным контекстом для тестирования способности личинок данио к обучению.

Чтобы смоделировать этот опыт, исследователи сначала поместили робота на арену со свободно плавающей рыбкой данио. Пока робот был неподвижен, рыба исследовала всю арену, включая пространство вокруг робота.

Затем исследователи заставили робота гоняться за рыбой около минуты, прежде чем снова застыть на месте. Всего одна минута погони позволила рыбе понять, что робот может быть опасен, в результате чего рыба избегала зоны вокруг робота более часа - значительное отличие от поведения, при котором она не избегала его до начала погони.

Далее, когда исследователи представили второго робота, который не преследовал рыбу, рыба избегала только того робота, который преследовал ее, демонстрируя хорошо развитую способность отличать опасные объекты от доброкачественных в окружающей среде.

В совокупности эти эксперименты показывают, что всего после минутной тренировки рыба научилась избегать робота-хищника, и это воспоминание сохранялось более часа. Это было особенно удивительно, учитывая тот факт, что развивающаяся личинка рыбки данио содержит всего около 1 процента нейронов ее взрослого аналога.

"Когда вы имеете дело с таким организмом, как молодая личинка данио, которая все еще находится в стадии развития и, возможно, еще не обладает в полной мере своими когнитивными способностями, оказывается, что вы не всегда можете полагаться на эти более стандартизированные методы, и полезно вернуться к более натуралистичным, экологически значимым задачам, которые они могут выполнять", - говорит Зокки. "Это было мотивацией для того, чтобы использовать этот менее стандартный и, в некотором смысле, более беспорядочный подход к перемещению этих роботов. Но, как мы увидели, это открыло поведение, которого мы не наблюдали в прошлом".

Многорегиональная мозговая сеть

Томография всего мозга рыбок данио выявила два взаимосвязанных сигнала, которые необходимы рыбе для того, чтобы научиться распознавать робота-хищника и избегать его.

Быстрый обучающий сигнал поступает от норадренергической системы рыбы, при этом клетки заднего мозга - области, которая контролирует основные функции, - реагируют на приближение хищника. Более медленный сигнал, распространяющийся по переднему мозгу - области, связанной с обучением и планированием, - кодирует присутствие робота predator. Обе области необходимы для обучения, и отключение любой из них лишает рыбу способности к обучению. Исследователи обнаружили, что хабенула, область мозга, которая, как известно, участвует в передаче сигналов о неприятных результатах, также необходима для обучения.

Новая работа предполагает, что эта мультирегиональная мозговая сеть лежит в основе способности молодых позвоночных быстро учиться распознавать хищников в течение первой недели их жизни. Поскольку это происходит до того, как рыба научится охотиться или выполнять другие виды обучения, исследование предполагает, что различные способности к ассоциативному обучению могут проявляться поэтапно и что некоторые способности, которые проявляются очень рано - например, умение определять, какие рыбы являются хищниками, а какие доброкачественными, - могут быть наиболее важными способами обучения. ради выживания.

Полученные результаты могли бы помочь ученым лучше понять, как происходит обучение в мозге с большими сетями нейронов. Нейробиологи все чаще обнаруживают, что даже простое обучение требует участия больших участков мозга, что трудно изучить у других животных, но может быть достигнуто у рыбок данио.

"Чтобы изучать эти более глобальные явления, вам нужны системы, в которых вы можете охватывать очень большие пространственные расстояния по всему мозгу и в то же время разрешать динамику в отдельных клетках", - говорит Зокки. "Теперь у нас есть возможность исследовать эти вещи в масштабах всего мозга относительно непредвзятым образом".