Rapid spatial cognition in mice, with and without neocortex and hippocampus
Deze studie toont aan dat muizen die zowel de neocortex als de hippocampus missen, snel complexe 3D-ruimtelijke navigatietaken kunnen leren, generaliseren en onthouden, wat erop wijst dat deze geavanceerde cognitieve vermogens niet strikt afhankelijk zijn van deze hersenstructuren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Om te begrijpen hoe een dier zijn weg vindt in een nieuwe wereld, hebben wetenschappers zich lang gericht op twee specifieke delen van de hersenen: de hippocampus en de neocortex. De hippocampus wordt vaak beschouwd als de interne kaartmaker van de hersenen, die dieren helpt te onthouden waar ze zijn geweest en waar ze naartoe moeten gaan. De neocortex, de buitenste laag van de hersenen, wordt geacht complexe processen te beheren, waardoor dieren regels kunnen begrijpen en zich aan nieuwe situaties kunnen aanpassen. Decennialang was de heersende opvatting dat snel leren — het vermogen om een probleem na slechts een paar pogingen op te lossen — deze twee geavanceerde structuren vereist. Als een dier deze miste, was de aanname dat het vast zou komen te zitten in een lus van trial-and-error (vallen en opstaan), niet in staat om een mentaal beeld van zijn omgeving te vormen of een succesvol pad te onthouden. Dit idee heeft ons begrip van intelligentie gevormd, door te suggereren dat snel denken een luxe is van complexe hersenen.
Een nieuwe studie daagt echter dit langgekoesterde geloof uit door een simpele vraag te stellen: wat gebeurt er wanneer je precies de delen van de hersenen verwijdert die we essentieel achten voor het leren? Onderzoekers van het California Institute of Technology ontwierpen een complexe, driedimensionale doolhof voor muizen om doorheen te navigeren, een structuur die lijkt op een raster van stadsstraten maar dan in lagen gestapeld. Vervolgens testten ze muizen die geboren waren zonder neocortex of hippocampus. Deze dieren, bekend als acorticale muizen, bezitten alleen de oudere, diepere delen van de hersenen. Het doel was om te zien of deze muizen de doolhof konden leren, de oplossing konden onthouden en wat ze hadden geleerd konden toepassen op nieuwe versies van de puzzel. De bevindingen laten zien dat het vermogen van de hersenen om snel te leren niet strikt afhankelijk is van de structuren die we ooit onmisbaar achtten.
De onderzoekers bouwden een doolhof genaamd de Manhattan Maze, een herconfigureerbaar labyrint bestaande uit twee lagen gangen. Stel je een raster van horizontale tunnels voor op de onderste laag en een bijpassend raster van verticale tunnels op de bovenste laag, gescheiden door een plastic plaat met gaten. Door deze plaat te verwisselen, konden de onderzoekers onmiddellijk veranderen welke tunnels verbonden waren, waardoor duizenden unieke lay-outs ontstonden zonder de fysieke doolhof te verplaatsen. De muizen begonnen met een eenvoudige versie om te leren dat er waterbeloningen beschikbaar waren bij twee specifieke poorten, één aan het "thuis"-uiteinde en één aan het "uit"-uiteinde. Ze moesten heen en weer rennen tussen deze poorten om te drinken. Zodra ze deze basisroutine onder de knie hadden, introduceerden de onderzoekers hen aan een complexe doolhof met een lang, kronkelend pad dat negen correcte bochten vereiste om de beloning te bereiken.
Normale muizen leerden dit pad opmerkelijk snel. Binnen slechts enkele uren en na slechts een handvol beloningen stopten ze met doelloos ronddwalen en begonnen ze directe routes te nemen. Ze leerden niet alleen een enkele sequentie van bochten; ze leerden een algemene regel over hoe ze vooruit moesten bewegen zonder achteruit te gaan, een vaardigheid die ze de volgende dag op nieuwe configuraties van de doolhof konden toepassen. Ze toonden ook het vermogen om de oplossing wekenlang te onthouden. Het meest opmerkelijk was dat ze konden uitzoeken welk specifiek besluitvormingspunt in de doolhof het belangrijkste was, zelfs als dat besluit ruimtelijk en in de tijd ver verwijderd was van de beloning. Dit vermogen om krediet toe te kennen aan een verre keuze is een kenmerk van geavanceerd leren.
De onderzoekers richtten hun aandacht vervolgens op de muizen die de neocortex en hippocampus misten. In het begin hadden deze dieren het zwaar. Ze verkenden de doolhof inefficiënt, renden heen en weer in dezelfde gangen en deden er veel langer over om het water te vinden dan hun normale tegenhangers. Het leek erop dat ze niet in staat waren om tijdens hun initiële verkenning een mentale kaart van de ruimte op te bouwen. Echter, zod[e als ze eindelijk een beloning vonden en begonnen te leren, gebeurde er iets verrassends. De acorticale muizen verbeterden net zo snel als de normale muizen. Ze leerden directe routes te nemen, herinnerden het pad voor dagen en zelfs weken, en konden hun kennis generaliseren naar nieuwe lay-outs van de doolhof. Ze slaagden er zelfs in om de kritieke besluitvormingspunten in de complexe doolhof te identificeren, wat bewees dat ze waarde konden toekennen aan een keuze die ver van de beloning werd gemaakt.
De studie suggereert dat de vertraging bij de acorticale muizen geen falen van het leren was, maar een falen van de exploratie. Zonder de hogere hersenstructuren waren ze minder efficiënt in het verzamelen van informatie over de doolhof voordat ze een beloning vonden. Maar zodra ze dat eerste stukje informatie hadden, waren hun resterende hersencircuits volledig in staat om dit te verwerken, een geheugen te vormen en erdoor te navigeren. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te testen hoe verschillende leeralgoritmen dit gedrag zouden kunnen verklaren. Ze ontdekten dat een model gebaseerd op het bouwen van een kaart van de omgeving hun snelle succes kon verklaren, terwijl een model gebaseerd op puur trial-and-error versterking dat niet kon. Dit ondersteunt het idee dat de subcorticale hersenen, het oudere deel van de hersenen, in staat zijn om een cognitieve kaart te construeren en te leren van zeer weinig ervaringen.
Deze ontdekking herschrijft ons begrip van waar intelligentie in de hersenen zetelt. Het laat zien dat het vermogen om snel te leren, een pad te onthouden en zich aan nieuwe situaties aan te passen, niet het exclusieve domein is van de neocortex en de hippocampus. Deze functies kunnen voortkomen uit de diepere, oudere delen van de hersenen, mits het dier de kans krijgt om te verkennen en een beloning te vinden. De studie beweert niet dat de neocortex en de hippocampus nutteloos zijn; het suggereert eerder dat hun primaire rol in deze context wellicht het faciliteren van de initiële exploratie en organisatie van informatie is, in plaats van de enige zetel van het leren zelf te zijn. Het vermogen van de hersenen tot snelle ruimtelijke leerprocessen lijkt een meer fundamentele en wijdverspreide eigenschap te zijn dan voorheen gedacht, die zetelt in circuits die al bestonden lang voordat de complexe buitenste lagen van de zoogdierhersenen evolueerden.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.