16:08 2023-03-23
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Pe măsură ce viermele se întoarce: noi răsturnări în teoriile de asociere comportamentală
_ Ca Întorsături de vierme: noi răsturnări în teoriile de asociere comportamentală
Fizicienii au dezvoltat un model dinamic al comportamentului animal care ar putea explica unele mistere din jurul învățării asociative care se întorc până la câinii lui Pavlov. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) a publicat concluziile, bazate pe experimente pe un organism comun de laborator, viermele rotunzi C. elegans.
„Am arătat cum sunt asocierile învățate. nu sunt mediate doar de puterea unei asocieri, ci de căi multiple, aproape independente - cel puțin în viermi", spune Ilya Nemenman, profesor de fizică și biologie Emory al cărui laborator a condus analizele teoretice pentru lucrare. „Ne așteptăm ca rezultate similare să fie valabile și pentru animalele mai mari, inclusiv poate la oameni.”
„Modelul nostru este dinamic și multidimensional”, adaugă William Ryu, profesor asociat de fizică la Donnelly. Centrul de la Universitatea din Toronto, al cărui laborator a condus munca experimentală. „Explică de ce acest exemplu de învățare asociativă nu este la fel de simplu ca formarea unei singure amintiri pozitive. În schimb, este o interacțiune continuă între asocieri pozitive și negative care au loc în același timp.”
Primul autor al cărții Lucrarea este Ahmed Roman, care a lucrat la proiect ca student absolvent al Emory și acum este bursier postdoctoral la Broad Institute. Konstaintine Palanski, un fost student absolvent la Universitatea din Toronto, este și el autor.
Cu mai bine de 100 de ani în urmă, Ivan Pavlov a descoperit „reflexul condiționat” la animale prin experimentele sale pe câini. De exemplu, după ce un câine era dresat să asocieze un sunet cu sosirea ulterioară a hranei, câinele începea să saliveze când auzea sunetul, chiar înainte de apariția hranei.
Aproximativ 70 de ani mai târziu, psihologii construit pe intuițiile lui Pavlov pentru a dezvolta modelul Rescorla-Wagner al condiționării clasice. Acest model matematic descrie asociațiile condiționate prin puterea lor dependentă de timp. Acea putere crește atunci când stimulul condiționat (în cazul câinelui Pavlov sunetul) poate fi folosit de animal pentru a scădea surpriza la sosirea răspunsului necondiționat (hrana).
Astfel de intuiții au ajutat la pregătirea scenei. pentru teoriile moderne ale învățării prin întărire la animale, care, la rândul lor, au permis algoritmi de învățare prin întărire în sistemele de inteligență artificială. Dar rămân multe mistere, inclusiv unele legate de experimentele originale ale lui Pavlov.
După ce Pavlov a antrenat câinii să asocieze sunetul unui clopot cu mâncarea, apoi i-a expus în mod repetat la clopot fără mâncare. În timpul primelor încercări fără mâncare, câinii au continuat să saliveze când a sunat clopoțelul. Dacă încercările au continuat suficient de mult, câinii „neînvățau” și nu mai salivau ca răspuns la clopoțel. S-a spus că asociația ar fi „stinsă”.
Pavlov a descoperit, totuși, că, dacă ar aștepta un timp și apoi va retesta câinii, aceștia ar saliva din nou ca răspuns la clopoțel, chiar dacă nu era mâncare. prezent. Nici Pavlov, nici teoriile mai recente ale învățării asociative nu au putut explica cu acuratețe sau modela matematic această recuperare spontană a unei asociații stinse.
Cercetătorii au explorat astfel de mistere prin experimente cu C. elegans. Viermele rotunzi de un milimetru are doar aproximativ 1.000 de celule și 300 dintre ele sunt neuroni. Această simplitate oferă oamenilor de știință un sistem simplu pentru a testa modul în care animalul învață. În același timp, circuitele neuronale ale lui C. elegans sunt suficient de complicate pentru a conecta unele dintre informațiile obținute din studierea comportamentului său la sisteme mai complexe.
Experimentele anterioare au stabilit că C. elegans poate fi antrenat să prefere o temperatură mai rece sau mai caldă, condiționând-o la o anumită temperatură cu alimente. Într-un experiment tipic, viermii sunt plasați într-o cutie Petri cu un gradient de temperatură, dar fără hrană. Cei instruiți să prefere o temperatură mai rece se vor muta în partea mai rece a vasului, în timp ce viermii antrenați să prefere o temperatură mai caldă se vor muta în partea mai caldă.
Dar ce înseamnă exact aceste rezultate? Unii cred că viermii se târăsc către o anumită temperatură în așteptarea hranei. Alții susțin că viermii pur și simplu devin obișnuiți cu această temperatură, așa că preferă să stea acolo chiar și fără o recompensă alimentară.
Puzzleul nu a putut fi rezolvat din cauza unei limitări majore a multor dintre aceste experimente -- mult timp necesar unui vierme pentru a traversa o cutie Petri de nouă centimetri în căutarea temperaturii preferate.
Nemenman și Ryu au căutat să depășească această limitare. Ei au dorit să dezvolte o modalitate practică de a măsura cu precizie dinamica învățării sau modul în care învățarea se schimbă în timp.
Laboratorul lui Ryu a folosit un dispozitiv microfluidic pentru a micșora modelul experimental al plăcilor Petri de nouă centimetri în patru milimetri. stropi. Cercetătorii au putut realiza rapid experimente pe sute de viermi, fiecare vierme încadrat în picăturile sale individuale.
„Am putut observa în timp real cum un vierme s-a deplasat pe un gradient liniar de temperatură”, spune Ryu. „În loc să așteptăm să se târască timp de 30 de minute sau o oră, am putut vedea mult mai rapid care parte a picăturii, partea rece sau partea caldă, pe care o preferă viermele. Și am putea urmări, de asemenea, cum s-au schimbat preferințele sale cu timp.”
Experimentele lor au confirmat că, dacă un vierme este antrenat să asocieze hrana cu o temperatură mai rece, acesta se va muta în partea mai rece a picăturii. De-a lungul timpului, însă, fără hrană prezentă, această preferință de memorie aparent scade.
„Am descoperit că deodată viermii au vrut să petreacă mai mult timp pe partea caldă a picăturii”, spune Ryu. „Este surprinzător pentru că de ce ar dezvolta viermii o preferință diferită și chiar evitarea temperaturii pe care au ajuns să o asocieze cu hrana?”
În cele din urmă, viermele începe să se miște înainte și înapoi între temperaturile mai reci și mai calde.< /p>
Cercetătorii au emis ipoteza că viermele nu uită pur și simplu memoria pozitivă a alimentelor asociată cu temperaturi mai scăzute, ci începe să asocieze negativ partea mai rece cu nicio mâncare. Asta îl determină să se îndrepte spre partea mai caldă. Apoi, pe măsură ce trece mai mult timp, începe să formeze o asociere negativă a lipsei de hrană cu temperatura mai caldă, care, combinată cu asocierea pozitivă reziduală cu frigul, o face să migreze înapoi la cea mai rece.
"The viermele învață mereu, tot timpul”, explică Ryu. „Există o interacțiune între impulsul unei asocieri pozitive și o asociere negativă care o face să înceapă să oscileze între rece și cald.”
Echipa lui Nemenman a dezvoltat ecuații teoretice pentru a descrie interacțiunile în timp dintre cei doi independenți. variabile — asocierea pozitivă sau excitatoare care conduce un vierme către o temperatură și asocierea negativă sau inhibitorie care îl îndepărtează de acea temperatură.
„Partea spre care gravitează viermele depinde de momentul în care exact tu iei măsurătorile”, explică Nemenman. „Este ca și când îți pierzi cheile ai putea verifica mai întâi biroul unde le ții de obicei. Dacă nu le vezi acolo imediat, alergi prin diferite locuri căutându-le. Dacă tot nu le găsești, Întoarce-te la biroul inițial, gândindu-te că nu te-ai uitat suficient de bine.”
Cercetătorii au repetat experimentele în diferite condiții. Ei au antrenat viermii la diferite temperaturi de pornire și i-au înfometat pentru diferite durate de timp înainte de a le testa preferința de temperatură, iar comportamentele viermilor au fost prezise corect de ecuații.
Au testat, de asemenea, ipoteza lor modificând genetic viermi, eliminând calea de semnalizare asemănătoare insulinei, cunoscută ca fiind o cale de asociere negativă.
„Am perturbat biologia în moduri specifice și, atunci când am derulat experimentele, comportamentul viermelui s-a schimbat așa cum era prezis de teoria noastră. model”, spune Nemenman. „Aceasta ne oferă mai multă încredere că modelul reflectă biologia de bază a învățării, cel puțin la C. elegans.”
Cercetătorii speră că alții își vor testa modelul în studiile asupra animalelor mai mari din diferite specii.
p>
„Modelul nostru oferă un model cantitativ alternativ de învățare care este multidimensional”, spune Ryu. „Explică rezultate dificile, sau în unele cazuri imposibile, pentru alte teorii ale condiționării clasice de explicat.”
Comentarii:
Adauga Comentariu