実験用マウスは独自の実験を行っているかもしれない

ネズミは報酬と引き換えに簡単なタスクを実行するよう訓練できることは以前から知られていました。空腹のネズミに一口の餌を与えたり、喉の渇いたネズミに一滴の水を与えたりすれば、ネズミが迷路を進んだり特定のボタンをクリックしたりするように促すことができます。しかし、ネズミは時々期待通りに行動せず、目の前のタスクを完了できません。多くの場合、研究者はこれらの行動を不注意や無関心から生じる単純なミスとして片付けてきました。しかし、4月26日にCurrent Biology誌に発表された研究は、それ以上のことが起きていることを示唆しています。ネズミはタスクのルールを理解していても行動を逸脱することがあります。これは、自分自身の仮説をテストし、周囲についてさらに学ぼうとしている可能性があります。

行動テスト中にマウスが下す決定は、単なる基本的な報酬追求の選択よりも複雑であるようです。研究室で人間が課した試験中、マウスは環境のルールを継続的に探索して再テストし、独自の小さな実験を行っている可能性があります。

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この発見は、げっ歯類の脳内で何が起こっているかに関する理解を深め、マウスやその他の非言語動物が、見せかけ以上のことを知っている可能性を示している。この研究は、最終的には人間の行動の神経学的基盤を解明するのに役立つかもしれない。「これらのマウスは、私たちがおそらく考えているよりも豊かな内面生活を送っています」と、ジョンズホプキンス大学の神経科学助教授で、研究の主任著者であるキショア・クチボトラ氏は言う。「マウスは単なる刺激反応マシンではありません。戦略のようなものを持っているのかもしれません」と彼は付け加える。

ハンドルを握るネズミ

この研究は、マウスに単純な舐める動作をさせた過去の研究を基にしており、マウスの動機を解析するために二者択一のテストという複雑さを加えている。クチボトラ氏と、この研究の筆頭著者で神経科学の博士課程の学生であるツィイー・チュー氏は、喉の渇いたマウスをその場に拘束し、音に反応して前足で車輪を特定の方向に回すように訓練した。1つ目の音は車輪を右に回すことに対応し、2つ目の音は車輪を左に回すことに対応した。マウスがどちらかの音に正しい行動で反応すると、小さなコップに入った水がもらえる。車輪を間違った方向に回したり、まったく回さなかったりすると、何も起こらなかった。

研究者たちは、13 匹のマウスを使った何千もの実験を通して、マウスの選択、反応速度、正確さを追跡し、いくつかのパターンに気付きました。まず、マウスは実験が進むにつれて決定がより正確になっているようで、手元のタスクを習得していることを示していました。また、マウスはそれぞれ、ホイールの方向を選ぶ際に癖や好みがあるようでした。そして、マウスがホイールの操縦能力の熟練レベルに達した後でも、短い間は誤った反応を示し、どの音が再生されても、ホイールを同じ方向に繰り返し回転させることが多かったのです。

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こうした攻撃の間に何が起こっているのかをよりよく理解するため、クチボトラとチューは「プローブ」試験を実施し、正解したマウスに報酬を与えることを一時的にやめました。するとすぐに、マウスは進路を変え、探索をやめ、訓練されたパターンに従って、右と左の音の合図にもっと正確に反応し始めました。これは、マウスがコップ一杯の水を手に入れるために何をすべきかを理解し、意図的に報酬を放棄していたことを示しています。

「動物モデルで研究する行動神経科学者として、非言語動物の[行動]から意味を引き出すより賢く豊かな方法を考え出す責任は我々にある」とマウントサイナイの神経科学者で精神科医で、動物行動研究を行っているが、今回の研究には関わっていないブライアン・スワイス博士は言う。「この論文はその点で実に素晴らしい仕事をしたと思う…行動分析への素晴らしい深い探究だった」と同博士は付け加え、特に最初の試験データの追跡調査と研究者が実験に変化をつけた方法を指摘した。

計算モデルを使用して、チューとクチボトラは、各試行結果がその前後の結果とどのように関連しているか、またマウスの行動に影響を与えていると思われる要因は何かを評価しました。報酬が大きな役割を果たしていることが分かりましたが、マウスごとに異なる、好ましい方向にホイールを回転させる傾向も大きな役割を果たしていました。ただし、この傾向は一定ではなく、マウスは試行を重ねるうちに、ホイールを両側に回転させたり、研究者がマウスの好ましい方向のみを示す音声プロンプトを提示すると、マウスは好ましくない方向にホイールを回転させる期間が増えました。総合すると、これらの観察結果は、研究者が学習戦略であると仮定している動的選択バイアスを示しています。

言語なしで学ぶ

「マウスは、不適応に思えるかもしれない単純なタスクでさえ、驚くべきことに高次のアプローチを使って学習しています。動物はたくさんの間違いを犯しているように見えるかもしれませんが、その間違いの間に、実は賢くなっているのです」とクチボトラは言います。「私たちはこれらの動物をこのような奇妙な状況に置きます。彼らは環境がいつ変化するか知りません。彼らは私たちが彼らに対するルールをいつ変えるかも知りません。このような継続的な探索には価値があります。」

人間は言語に頼って課題を理解できるが、言葉を話せない動物は特定の状況のルールを自分で見つけなければならない。クチボトラ氏は、この違いがマウスが課題に対してこのように絶えず変化するアプローチを取る理由を説明できるかもしれないと示唆している。「口頭または書面による指示は、探索の精神的空間を崩壊させます。やるべきことがわかれば、探索する必要はありません。これが私たちの仮説の 1 つです。つまり、指示がない場合、人間は [また] 継続的な探索に従事するということです。」現在、彼はそれが真実かどうかを判断するために、人間の行動試験の追跡調査を行っています。

マウスのミスから学ぶ教訓

その他のフォローアップ作業には、マウスがホイールを回す作業を行っている間の神経活動を追跡すること、マウスに複数の作業を同時に訓練およびテストして戦略がどのように変化するかを確認すること、そして認知障害のあるマウスに同様のテストを実施して最終的にアルツハイマー病などの人間の神経疾患の根本的なパターンを明らかにすることなどが含まれます。

この研究が証明していることには限界がある。研究者らが細心の注意を払ったにもかかわらず、戦略よりも単純な何かがまだ作用している可能性があるとスワイス氏は示唆する。たとえば、マウスが車輪を回す方向をときどき変えたのは、前脚が疲れたためかもしれない。「[研究著者らが]ここで示していることを否定するものではないと思うが、物理的要因が原因となっている可能性がある」とスワイス氏は言う。「脳を体全体の文脈で理解する必要がある」

それでも、選択のプロセスを調べることで、「脳が機能するさまざまな方法についての洞察が得られ」、物事がうまくいかなくなったときに何が起きているのかを明らかにできると彼は説明する。彼は、別のフォローアップ プロジェクトで、加齢が探索プロセスにどのような影響を与えるか、タスクの柔軟性が加齢とともに変化または低下するかどうかを調べることができると提案している。興味深い研究につながる可能性のある多くの派生があり、この研究は「生物学をもう少し理解するための豊かな基盤となる」。

これは、間違いがつまらない失敗として片付けられてきた何十年にもわたるげっ歯類の行動の結果を再構築するものだ。「動物は学ぶために間違いを犯す必要がある」とスワイス氏は言う。そして私たちも動物から学ぶことがたくさんあるのだ。