Нейробиолог учит лабораторных крыс водить машину

Келли Ламберт, нейробиолог, с радостью делится своим опытом обучения лабораторных крыс навыкам вождения. Мы создали их первый автомобиль из пластикового контейнера из-под хлопьев. Методом проб и ошибок мы с коллегами выяснили, что крысы могут научиться двигаться вперёд, используя маленький проводок в качестве педали газа. Вскоре они с удивительной точностью управляли автомобилем, стремясь добраться до любимого лакомства — Froot Loop.

Как и ожидалось, крысы, живущие в обогащённой среде — с игрушками, пространством и сородичами — научились ездить быстрее, чем те, что жили в стандартных клетках. Это открытие подтвердило идею о том, что сложная среда усиливает нейропластичность — способность мозга меняться на протяжении всей жизни в ответ на требования окружающей среды.

После публикации результатов нашего исследования история о том, как крысы водят машины, стала вирусной в СМИ. Проект продолжается в моей лаборатории с использованием новых, усовершенствованных транспортных средств, управляемых крысами, или ROV, разработанных профессором робототехники Джоном Макманусом и его студентами.

Эти модернизированные электрические дистанционно управляемые подводные аппараты, защищённые от грызунов, с неразрушимыми шинами и эргономичными рычагами управления, похожи на грызунов-версию Cybertruck от Tesla.

Как нейробиолог, я всегда выступал за содержание и тестирование лабораторных животных в естественной среде обитания. Однако я был приятно удивлён, насколько далеко мы отошли от моих лабораторных практик в этом проекте. Крысы обычно предпочитают грязь, палки и камни пластиковым предметам, а теперь мы заставляем их водить машины.

Но люди тоже не эволюционировали, чтобы водить машины. Хотя у наших древних предков не было автомобилей, у них был гибкий мозг, который позволял им осваивать новые навыки — огонь, язык, каменные орудия и сельское хозяйство. И через некоторое время после изобретения колеса люди стали делать автомобили.

Хотя автомобили, созданные для крыс, далеки от всего, с чем они могли бы столкнуться в дикой природе, мы решили, что вождение — это интересный способ изучения того, как грызуны осваивают новые навыки.

Неожиданно мы обнаружили, что у крыс была сильная мотивация во время обучения вождению: они часто запрыгивали в машину и заводили «рычажный двигатель» ещё до того, как их автомобиль выезжал на дорогу. Почему так происходило?

Новое направление в изучении радости

Концепции из учебников по введению в психологию нашли своё практическое применение в нашей лаборатории, где мы обучаем грызунов вождению. Мы используем фундаментальные подходы к обучению, такие как оперантное обусловливание, которое подкрепляет целенаправленное поведение с помощью стратегических стимулов, чтобы шаг за шагом научить крыс водить машину.

Сначала крысы освоили базовые движения, такие как посадка в машину и нажатие на рычаг. Но с практикой эти простые действия превратились в более сложные, например, в умение управлять автомобилем в направлении определённого пункта назначения.

Однажды утром во время пандемии крысы открыли для меня нечто важное.

Это было летом 2020 года, когда почти все на планете, даже лабораторные крысы, находились в эмоциональной изоляции. Когда я вошёл в лабораторию, то заметил нечто необычное: три обученные вождению крысы с готовностью подбежали к краю клетки и подпрыгнули, как мой пёс, когда его спрашивают, не хочет ли он прогуляться.

Я задумался: неужели крысы всегда вели себя так, а я просто не замечал? Возможно, они просто хотели получить «Фрут Луп» или предвкушали поездку? В любом случае, они, казалось, испытывали что-то положительное — возможно, волнение и предвкушение.

Поведение, связанное с положительным опытом, ассоциируется с радостью у людей, но как насчёт крыс? Видел ли я что-то похожее на радость у крысы? Возможно, да, учитывая, что исследования в области нейробиологии всё чаще показывают, что радость и положительные эмоции играют важную роль в здоровье как людей, так и животных.

Таким образом, мы с моей командой обратили внимание на то, как положительные события — и предвкушение этих событий — влияют на нейронные функции.

Вместе с научным сотрудником Китти Хартвигсен я разработал новый протокол, в котором используются периоды ожидания для усиления предвкушения перед положительным событием. С помощью условного рефлекса Павлова крысам приходилось ждать 15 минут после того, как в их клетку клали кубик Lego, прежде чем они получали «Фрут Луп».

Им также пришлось подождать несколько минут в транспортной клетке, прежде чем они попадали в «Крысиный парк», свою игровую зону. Мы также добавили испытания, например, заставляли их очищать семена подсолнечника от шелухи перед едой.

Это стало нашей исследовательской программой «Подожди». Мы назвали эту новую линию исследований UPER — непредсказуемые положительные реакции на опыт, — в рамках которой крыс обучали ждать вознаграждения. В отличие от них, контрольные крысы получали вознаграждение сразу.

Примерно через месяц обучения мы проводим с крысами различные тесты, чтобы определить, как ожидание положительного опыта влияет на их обучение и поведение. В настоящее время мы изучаем их мозг, чтобы составить карту нейронных следов длительного положительного опыта.

Предварительные результаты показывают, что у крыс, которым приходилось ждать вознаграждения, в тесте, разработанном для измерения оптимизма грызунов, наблюдались признаки перехода от пессимистического когнитивного стиля к оптимистическому.

Они лучше справлялись с когнитивными задачами и были смелее в своих стратегиях решения проблем. Мы связали эту программу с более широким интересом нашей лаборатории к «поведенческим лекарствам» — термин, который я придумал, чтобы показать, что опыт может изменять химический состав мозга так же, как и фармацевтические препараты.

Это исследование даёт дополнительное подтверждение того, что предвкушение может усиливать поведение. Предыдущие исследования на лабораторных крысах показали, что крысы, нажимающие на рычаг, чтобы получить кокаин — стимулятор, повышающий уровень дофамина, — уже испытывают всплеск дофамина, предвкушая дозу кокаина.

Сказка о крысиных хвостах

Наше внимание привлекло не только влияние ожидания на поведение крыс. Однажды один из студентов заметил нечто удивительное: у одной из крыс в группе, которую мы приучили ожидать положительных эмоций, хвост был поднят вертикально и загнут на конце, напоминая ручку старомодного зонта.

За все свои десятилетия работы с крысами я никогда раньше не видел подобного. Просматривая видеозапись, мы обнаружили, что крысы, обученные предвкушать положительные эмоции, чаще поднимали хвост, чем необученные. Но что именно это означало?

Из любопытства я опубликовал фотографию такого поведения в социальных сетях. Коллеги-нейробиологи определили, что это более мягкая форма так называемого «хвоста Штрауба», который обычно наблюдается у крыс, получающих опиоидный морфин. Этот S-образный изгиб также связан с дофамином. Когда дофамин блокируется, поведение «хвост Штрауба» прекращается.

Природные формы опиатов и дофамина — ключевых веществ, участвующих в работе мозговых путей, которые уменьшают боль и усиливают чувство удовольствия, — по-видимому, являются характерными ингредиентами «поднятых хвостов» в нашей программе обучения предвкушению.

Наблюдение за положением хвоста у крыс добавляет новый аспект в наше понимание эмоциональной экспрессии крыс, напоминая нам о том, что эмоции проявляются во всём теле.

Хотя мы не можем напрямую спросить крыс, нравится ли им водить, мы разработали поведенческий тест, чтобы оценить их мотивацию к вождению. На этот раз вместо того, чтобы просто предоставить крысам возможность доехать до дерева Froot Loop, мы позволили им пройти более короткий путь пешком — или, в данном случае, на лапах.

Удивительно, но две из трёх крыс предпочли менее эффективный путь: они отвернулись от награды и побежали к машине, чтобы доехать до места назначения. Этот ответ говорит о том, что крысам нравится и само путешествие, и награда в конце.

Уроки для крыс о том, как наслаждаться путешествием

Мы не единственная команда, изучающая положительные эмоции у животных. Нейробиолог Яак Панксепп, как известно, щекотал крыс, демонстрируя их способность испытывать радость.

Исследования также показали, что благоприятная среда с низким уровнем стресса для крыс настраивает их мозг на получение удовольствия, например, в прилежащем ядре. Когда животные находятся в привычной для них среде, область прилежащего ядра, отвечающая за получение удовольствия, расширяется.

С другой стороны, когда крысы находятся в стрессовой обстановке, зоны их прилежащего ядра, отвечающие за страх, расширяются. Это похоже на то, как если бы мозг был пианино, которое можно настроить в соответствии с окружающей средой.

Нейробиолог Курт Рихтер также приводил доводы в пользу того, что у крыс есть надежда. В исследовании, которое сегодня было бы запрещено, крысы плавали в стеклянных цилиндрах, наполненных водой, и в конце концов тонули от истощения, если их не спасали.

Лабораторные крысы, с которыми часто контактировали люди, плавали от нескольких часов до нескольких дней. Дикие крысы сдавались уже через несколько минут. Однако если диких крыс ненадолго спасали, их время выживания значительно увеличивалось, иногда на несколько дней. Похоже, что спасение давало крысам надежду и подстёгивало их.

Проект «Управляющие крысы» открыл новые и неожиданные возможности в моей исследовательской лаборатории поведенческой нейробиологии. Хотя изучение негативных эмоций, таких как страх и стресс, крайне важно, положительный опыт также существенно влияет на мозг.

По мере того, как животные — будь то люди или кто-то другой — приспосабливаются к непредсказуемости жизни, предвкушение положительного опыта помогает сохранять настойчивость в поисках жизненных благ.

В мире, где мы стремимся к немедленному удовлетворению, эти крысы дают представление о нейронных принципах, управляющих повседневным поведением. Вместо того чтобы нажимать на кнопки для мгновенного вознаграждения, они напоминают нам, что планирование, предвидение и удовольствие от процесса могут быть ключом к здоровому мозгу. Это урок, который я хорошо усвоил благодаря своим лабораторным крысам.