Tu viaje al trabajo puede parecer algo mundano, pero es un gran ejemplo de las tareas complicadas que nuestro cerebro debe realizar a diario: navegación, memoria, toma de decisiones, procesamiento sensorial, etc. Los investigadores a menudo usan modelos animales, como ratones, para estudiar los procesos neuronales subyacentes a estos comportamientos. Sin embargo, muchas de las tareas que se utilizan para estudiar el aprendizaje en ratones no son "naturales", no son comportamientos que un ratón pueda realizar a lo largo de su vida.

Los investigadores de Caltech ahora han realizado un estudio en el que midieron cómo los ratones navegan por un laberinto complicado, lo que sugiere un nuevo marco con el que estudiar los comportamientos y el aprendizaje complejos de los animales. Los ratones aprendieron rápidamente cómo navegar en este entorno desconocido unas 1.000 veces más rápido de lo que los ratones generalmente aprenden tareas simples pero poco naturales. El estudio tiene implicaciones sobre cómo pensamos en relación al papel del cuerpo y el cerebro en la inteligencia. Curiosamente, los estudiantes graduados de Caltech se desempeñaron de manera similar a los ratones al navegar por una versión simulada del mismo laberinto.

La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Markus Meister (PhD '87), Anne P. y Benjamin F. Biaggini Professor of Biological Sciences, y Pietro Perona, Allen E. Puckett Professor of Electrical Engineering. Un artículo que describe el estudio se publicó en la revista eLife el 21 de julio de 2021.

Imagina que tienes un volante frente a ti. Cuando se enciende una luz a su izquierda, debe girar el volante a la izquierda; cuando se enciende una luz a su derecha, debe girar el volante hacia la derecha. Dado que solo hay dos decisiones que tomar, girar a la izquierda o a la derecha, probablemente no le tomará tiempo aprender esta sencilla tarea. Un ratón de laboratorio, sin embargo, podría necesitar alrededor de 10,000 pruebas para aprender correctamente cómo realizar una tarea como esta. Incluso entonces, es posible que el ratón sólo lo haga correctamente el 80 por ciento de las veces. La tarea, aunque parece simple para los humanos, no es una tarea muy natural para un ratón.

"En los últimos años, hemos estado tratando de desarrollar enfoques experimentales que sean más respetuosos con la complejidad del comportamiento natural de los animales, cosas que sean más similares a lo que hacen los animales en el mundo real", dice Meister.

Dirigido por los estudiantes graduados Matthew Rosenberg y Tony Zhang, el equipo desarrolló un laberinto complejo para que lo exploraran los ratones, con 63 cruces de decisión y 64 posibles puntos finales. Dentro del laberinto hay un puerto de agua que dispensa una pequeña gota de agua. Los investigadores le dieron a un ratón acceso individual al laberinto desde su jaula y le permitieron explorar como quisiera durante una noche. Una cámara de video rastreó los movimientos del ratón y cuantificó el comportamiento exploratorio.

"En este estudio, expusimos un ratón a un entorno de laberinto complejo, encendemos una cámara y simplemente salimos de la habitación", dice Meister. "No ejercemos ninguna influencia sobre el animal. Regresamos siete horas más tarde y analizamos videos de lo que hizo el ratón durante ese tiempo. Permitimos que el ratón tome el tipo de decisiones que toman los ratones en lugar de obligarlos a aceptar alguna tarea abstracta que realmente no tiene relevancia".

En aproximadamente la mitad de estos experimentos, el ratón tenía sed y se podría suponer que estaba motivado por un impulso para encontrar agua. En la otra mitad, los ratones estaban saciados. Aunque un ratón sediento no sabe que hay agua dentro, explorará el laberinto metódicamente. Después de descubrir por primera vez el puerto de agua, el ratón toma en promedio solo 10 intentos para descubrir la ruta directa más eficiente al puerto desde su jaula de origen. La ruta más directa requiere seis decisiones correctas.

Los 19 ratones utilizados en el estudio tendían a seguir ciertas "reglas de exploración". Por ejemplo, cuando se encuentra con una coyuntura, un ratón puede elegir ir hacia la izquierda, hacia la derecha o hacia atrás por donde vino. Los 19 ratones tenían una fuerte preferencia por seguir avanzando y no darse la vuelta. Además, los ratones tendían a alternar la izquierda y la derecha al explorar. Queda por descubrir si estas "reglas" son el resultado de experiencias o si están genéticamente integradas en el cerebro.

Rosenberg y Zhang luego crearon una réplica del laberinto como un videojuego e invitaron a estudiantes de posgrado, los cuales era compañeros de laboratorio, a explorar el laberinto digitalmente. Los estudiantes se desempeñaron de manera similar a los ratones, aprendiendo a navegar después de un número similar de experiencias exitosas.

Un componente clave del aprendizaje "rápido" de los ratones es un fenómeno que los investigadores denominaron "percepción repentina". En los experimentos tradicionales de aprendizaje con el ratón, como la tarea del volante, el ratón de laboratorio tenderá a aprender lentamente, mejorando gradualmente para realizar la tarea correctamente. Pero en el paradigma del laberinto, cada ratón mostraba una especie de "momento de bombilla", en el que parecían comprender de repente cómo navegar por el laberinto.

"Vemos que para la mayoría de los ratones recompensados, aquellos para quienes la sed puede haber sido una fuerza impulsora, de repente, algo 'hace clic' para ellos", dice Zhang. "Después de este momento, ajá, los animales comienzan a tomar caminos complejos pero directos hacia la ubicación del agua con mucha más frecuencia, lo que indica que están poniendo todos sus conocimientos sobre cómo navegar por el laberinto".

"Hemos encontrado una manera de diseñar una tarea que aproveche las capacidades centrales de los ratones", dice Rosenberg. "Algunas personas podrían decir que los ratones son tontos, pero si aprovechas su nicho evolutivo central, tienes la oportunidad de observar un comportamiento experto. Esto nos permite obtener una verdadera comprensión de cómo está sucediendo el aprendizaje".

El artículo se titula "Ratones en un laberinto: aprendizaje rápido, percepción repentina y exploración eficiente". Los estudiantes de posgrado Matthew Rosenberg y Tony Zhang son co-primeros autores. Los coautores adicionales son Perona y Meister. La financiación fue proporcionada por Simons Collaboration on the Global Brain, National Science Foundation y Google. Meister y Perona son profesores afiliados al Instituto de Neurociencia Tianqiao y Chrissy Chen en Caltech.

Artículo traducido al español desde www.caltech.edu