Rapid spatial cognition in mice, with and without neocortex and hippocampus
Diese Studie zeigt, dass Mäuse, denen sowohl der Neocortex als auch der Hippocampus fehlen, komplexe räumliche Navigationsaufgaben in 3D schnell erlernen, generalisieren und beibehalten können, was darauf hindeutet, dass diese anspruchsvollen kognitiven Fähigkeiten nicht strikt von diesen Hirnstrukturen abhängen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Um zu verstehen, wie ein Tier seinen Weg durch eine neue Welt findet, haben sich Wissenschaftler lange Zeit auf zwei spezifische Teile des Gehirns konzentriert: den Hippocampus und den Neocortex. Der Hippocampus wird oft als der interne Kartograf des Gehirns angesehen, der Tieren hilft, sich zu merken, wo sie waren und wohin sie gehen müssen. Der Neocortex, die äußerste Schicht des Gehirns, ist dafür zuständig, komplexes Denken zu bewältigen, was es Tieren ermöglicht, Regeln zu verstehen und sich an neue Situationen anzupassen. Jahrzehntelang war die vorherrschende Ansicht, dass schnelles Lernen – die Fähigkeit, ein Problem nach nur wenigen Versuchen zu lösen – diese beiden hochentwickelten Strukturen erfordert. Wenn einem Tier diese fehlten, war die Annahme, dass es in einer Schleife aus Versuch und Irrtum feststecken würde, unfähig, ein mentales Bild seiner Umgebung zu bilden oder sich einen erfolgreichen Pfad zu merken. Diese Idee hat unser Verständnis von Intelligenz geprägt und suggeriert, dass schnelles Denken ein Luxus komplexer Gehirne ist.
Ein neuer Studienansatz stellt diese lang gehegte Überzeugung jedoch infrage, indem er eine einfache Frage stellt: Was passiert, wenn man genau die Teile des Gehirns entfernt, von denen wir glauben, dass sie essenziell für das Lernen sind? Forscher am California Institute of Technology entwarfen ein komplexes, dreidimensionales Labyrinth für Mäuse, das sie navigieren mussten – eine Struktur, die einem Raster aus Stadtstraßen ähnelt, jedoch in Schichten übereinander gestapelt ist. Sie testeten anschließend Mäuse, die ohne Neocortex oder Hippocampus geboren wurden. Diese Tiere, bekannt als akortikale Mäuse, besitzen nur die älteren, tiefer liegenden Teile des Gehirns. Das Ziel war es zu sehen, ob diese Mäuse das Labyrinth erlernen, die Lösung behalten und das Gelernte auf neue Versionen des Puzzles anwenden können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit des Gehirns, schnell zu lernen, nicht strikt von den Strukturen abhängt, die wir einst für unverzichtbar hielten.
Die Forscher bauten ein Labyrinth namens „Manhattan Maze“, ein umkonfigurierbares Labyrinth aus zwei Korridorebenen. Stellen Sie sich ein Gitter aus horizontalen Tunneln auf der unteren Ebene und ein passendes Gitter aus vertikalen Tunneln darüber vor, getrennt durch eine Kunststoffplatte mit Löchern. Durch das Austauschen dieser Platte konnten die Forscher die Verbindungen zwischen den Tunneln sofort ändern und so tausende einzigartige Layouts erschaffen, ohne das physische Labyrinth bewegen zu müssen. Die Mäuse begannen mit einer einfachen Version, um zu lernen, dass Wasserbelohnungen an zwei spezifischen Häfen verfügbar waren – einer am „Heim“-Ende und einer am „Aus“-Ende. Sie mussten zwischen diesen Häfen hin- und herlaufen, um zu trinken. Sobald sie diese grundlegende Routine beherrschten, führten die Forscher sie in ein komplexes Labyrinth mit einem langen, gewundenen Pfad ein, der neun korrekte Abbiegungen erforderte, um zur Belohnung zu gelangen.
Normale Mäuse lernten diesen Pfad bemerkenswert schnell. Innerhalb nur weniger Stunden und nach nur einer Handvoll Belohnungen hörten sie auf, ziellos umherzuwandern, und nahmen direkte Routen. Sie lernten nicht nur eine einzelne Abfolge von Wendungen auswendig; sie lernten eine allgemeine Regel darüber, wie man sich vorwärts bewegt, ohne zurückzukehalten – eine Fähigkeit, die sie bereits am nächsten Tag auf neue Labyrinth-Konfigurationen anwenden konnten. Sie zeigten auch die Fähigkeit, die Lösung über Wochen hinweg zu behalten. Am erstaunlichsten war, dass sie erkennen konnten, welcher spezifische Entscheidungspunkt im Labyrinth der wichtigste war, selbst wenn diese Entscheidung räumlich und zeitlich weit von der Belohnung entfernt lag. Diese Fähigkeit, einem fernen Entscheidungsprozess Bedeutung zuzuweisen, ist ein Kennzeichen anspruchsvollen Lernens.
Die Forscher wandten ihre Aufmerksamkeit dann auf die Mäuse, denen der Neocortex und der Hippocampus fehlten. Zuerast hatten diese Tiere Schwierigkeiten. Sie erkundeten das Labyrinth ineffizient, liefen immer wieder in denselben Korridoren hin und her und brauchten viel länger, um das Wasser zu finden, als ihre normalen Artgenossen. Es schien, als könnten sie während ihrer ersten Erkundung kein mentales Bild des Raumes aufbauen. Doch sobald sie schließlich eine Belohnung fanden und begannen zu lernen, geschah etwas Überraschendes. Die akortikalen Mäuse verbesserten sich genauso schnell wie die normalen Mäuse. Sie lernten, direkte Routen zu nehmen, erinnerten sich Tage und sogar Wochen lang an den Pfad und konnten ihr Wissen auf neue Labyrinth-Layouts übertragen. Sie schafften es sogar, die kritischen Entscheidungspunkte im komplexen Labyrinth zu identifizieren, was zeigte, dass sie einen Wert an eine Wahl zuweisen konnten, die weit von der Belohnung entfernt getroffen wurde.
Die Studie legt nahe, dass die Verzögerung bei den akortikalen Mäusen kein Versagen des Lernens war, sondern ein Versagen der Exploration. Ohne die höheren Hirnstrukturen waren sie weniger effizient darin, Informationen über das Labyrinth zu sammeln, bevor sie eine Belohnung fanden. Aber sobald sie dieses erste Stück Information erhalten hatten, waren ihre verbleibenden Gehirnzirkuiten voll fähig, diese zu verarbeiten, ein Gedächtnis zu bilden und damit zu navigieren. Die Forscher nutzten Computersimulationen, um zu testen, wie verschiedene Lernalgorithmen dieses Verhalten erklären könnten. Sie fanden heraus, dass ein Modell, das auf dem Aufbau einer Karte der Umgebung basiert, den schnellen Erfolg der Mäuse erklären konnte, während ein Modell, das rein auf Versuch-und-Irrtum-Verstärkung beruht, dies nicht konnte. Dies stützt die Idee, dass das subkortikale Gehirn – der ältere Teil des Gehirns – in der Lage ist, eine kognitive Karte zu konstruieren und aus sehr wenigen Erfahrungen zu lernen.
Diese Entdeckung ordnet unser Verständnis darüber neu, wo Intelligenz im Gehirn wohnt. Sie zeigt, dass die Fähigkeit, schnell zu lernen, einen Pfad zu behalten und sich an neue Situationen anzupassen, nicht das exklusive Gebiet des Neocortex und des Hippocampus ist. Diese Funktionen können aus den tieferen, älteren Teilen des Gehirns hervorgehen, sofern das Tier die Möglichkeit hat, zu explorieren und eine Belohnung zu finden. Die Studie behauptet nicht, dass der Neocortex und der Hippocampus nutzlos sind; sie legt vielmehr nahe, dass ihre primäre Rolle in diesem Kontext darin bestehen könnte, die anfängliche Exploration und Organisation von Informationen zu erleichtern, anstatt der alleinige Sitz des Lernens selbst zu sein. Die Kapazität des Gehirns für schnelles räumliches Lernen scheint ein grundlegenderer und weit verbreiteteres Merkmal zu sein als bisher angenommen, das in Schaltkreisen angesiedelt ist, die lange vor der Evolution der komplexen äußeren Schichten des Säugetiergehirns existierten.
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