Sfuggire al pericolo imminente è essenziale per la sopravvivenza. Gli animali devono imparare un nuovo ambiente abbastanza velocemente da poter scegliere la via più breve verso la salvezza. Ma come fanno senza aver mai sperimentato la minaccia nel nuovo ambiente?

I neuroscienziati del Sainsbury Wellcome Center dell'UCL hanno esplorato in che modo i topi apprendono il loro ambiente spaziale e le strategie comportamentali che usano per prendere la strada più breve verso un rifugio quando hanno paura.

In un nuovo studio, pubblicato oggi su Current Biology , i ricercatori dimostrano che i topi imparano la via più breve per fuggire dopo soli 10 minuti di esplorazione dell'ambiente e non hanno bisogno di precedenti esperienze di minaccia.

"In molti studi di neuroscienze, i topi sono addestrati a risolvere labirinti complessi e hanno molto tempo per imparare a farlo. Ma in natura, i topi non hanno quel lusso:di fronte a una minaccia, devono fuggire al riparo il più rapidamente possibile. possibile. La domanda è come fanno i topi a impararlo molto rapidamente, senza l'opportunità di tentativi ed errori", ha affermato Tiago Branco, Group Leader presso il Sainsbury Wellcome Center e autore corrispondente del documento.

Per esplorare questa domanda, i ricercatori SWC hanno condotto una serie di esperimenti comportamentali in cui hanno offerto ai topi una scelta tra due o tre percorsi per tornare a un rifugio. Gli scienziati hanno usato un suono forte o uno stimolo incombente, simulando un predatore, per spaventare i topi e poi hanno osservato il loro percorso di ritorno al riparo.

In primo luogo, i neuroscienziati hanno bloccato il percorso diretto verso il rifugio e hanno scoperto che i topi hanno imparato a utilizzare uno degli altri percorsi. Successivamente, i ricercatori hanno esplorato se i topi potessero scegliere correttamente tra due percorsi di diverse lunghezze. Gli esperimenti si sono svolti al buio, il che significa che i topi non potevano vedere il percorso più breve. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che i topi preferiscono effettivamente il percorso più breve, in particolare quando c'è una differenza maggiore tra le lunghezze dei due percorsi.

Per capire come i topi imparano questo, i ricercatori hanno studiato quelli che stavano sperimentando una minaccia per la prima volta e hanno osservato che i topi inesperti avevano già una preferenza per il percorso più breve. Pertanto, i topi devono acquisire queste informazioni attraverso l'esplorazione naturale e non devono prima sperimentare la minaccia per imparare a scegliere la migliore via di fuga. Inoltre, i topi lo hanno appreso dopo soli 10 minuti di esplorazione dell'ambiente.

"I topi sono predati da molte specie e quindi per un topo è molto importante sapere come mettersi in salvo. Se metti un topo in un nuovo ambiente, la sua priorità è mappare lo spazio e capire come raggiungere una cassaforte posto. Questo è nel repertorio naturale del comportamento del topo e non deve essere istruito esplicitamente", ha affermato Tiago Branco.

Tradizionalmente, il modo in cui si pensa che gli animali imparino è sperimentare il valore di qualcosa e mapparlo sulla geometria spaziale. Ad esempio, se i topi fossero ripetutamente esposti a minacce molte volte e si sentissero stressati prendendo il lungo percorso per tornare al sicuro, assegnerebbero al percorso più lungo un valore inferiore e imparerebbero invece a prendere il percorso più breve.

Tuttavia, in questo esperimento, gli animali non lo stavano facendo. Invece, i topi presumevano che la via breve fosse la migliore per scappare. I ricercatori si riferiscono a questo presupposto come a un'euristica innata. Attraverso l'evoluzione, i topi hanno acquisito una serie di circuiti neurali che danno loro la capacità di compiere queste scelte innate dopo l'esplorazione naturale.

"Gli animali sono molto bravi a imparare le cose che contano per loro. Per comprendere il cervello del topo, gli algoritmi e i circuiti neurali che supportano l'apprendimento, è importante guardare ai comportamenti che il topo si è evoluto a fare e ai vincoli che essi stanno per imparare in modo rapido ed efficiente", ha commentato Tiago Branco.

Per esplorare gli algoritmi che il cervello potrebbe utilizzare per consentire ai topi di scegliere la migliore via di fuga, i ricercatori hanno esaminato tre diversi modelli computazionali e si sono chiesti se gli algoritmi artificiali potessero funzionare come i topi nel compito. Hanno scoperto che i tre algoritmi funzionavano tutti molto bene se il mouse artificiale poteva esplorare a lungo. Tuttavia, il vero mouse aveva solo 10 minuti per esplorarlo.

E così i ricercatori hanno alimentato il topo artificiale con le traiettorie del topo reale e hanno scoperto che l'algoritmo più semplice possibile, chiamato model-free, non poteva imparare a scegliere il percorso più breve. I due modelli più complessi, chiamati model-based, potevano apprendere la migliore via di fuga ma erano corretti solo circa la metà delle volte. Ciò fornisce ai ricercatori alcune informazioni su ciò di cui il cervello ha bisogno affinché i topi siano in grado di selezionare la via di fuga ottimale.

I prossimi passi per i ricercatori sono approfondire come funziona nel cervello e come i topi mappano il valore sulle azioni in questo paradigma naturale. Questa domanda è un piccolo pezzo del più ampio puzzle di come gli animali scelgono quali azioni fare in base alle loro aspettative su ciò che sarà il migliore a breve o lungo termine. I neuroscienziati sperano di comprendere questa forma di mappatura dei valori in un comportamento d'azione per dare un'occhiata ai tipi di algoritmi che il cervello potrebbe utilizzare per implementare l'apprendimento rapido.