Naukowcy wykazali, że szczury też posiadają wyobraźnię

Zespół naukowców z Instytutu Medycznego Howarda Hughesa opracował nowatorski system łączący wirtualną rzeczywistość i interfejs mózg-komputer. Wszystko po to, by zbadać, o czym myślą szczury. Uczeni odkryli, że te gryzonie, podobnie jak ludzie, potrafią myśleć o miejscach i przedmiotach, które nie znajdują się tuż przed nimi, co wskazuje, że mają wyobraźnię.

Gdy szczury odwiedzają jakieś miejsca lub doświadczają jakichś zdarzeń, w hipokampie, obszarze mózgu odpowiedzialnym za pamięć przestrzenną, obserwowane są określone wzorce aktywności neuronowej. Podobnie jak u ludzi. Naukowcy wykazali w nowych badaniach, że szczury mogą dobrowolnie generować te same wzorce aktywności, aby przywołać w myślach odległe lokalizacje czy doświadczenia.

Rezultaty oraz opis badań ukazała się na łamach pisma "Science" (DOI: 10.1126/science.adh5206).

- Szczur rzeczywiście może aktywować reprezentację miejsc nie wchodząc tam – powiedział Chongxi Lai, pierwszy autor artykułu opisującego nowe odkrycia. - Nawet jeśli jego ciało fizyczne jest nieruchome, jego myśli przestrzenne mogą skierować się w bardzo odległe miejsce - dodał.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zdolność wyobrażania sobie lokalizacji oddalonych od aktualnej pozycji ma fundamentalne znaczenie dla zapamiętywania przeszłych wydarzeń i wyobrażania sobie możliwych przyszłych scenariuszy. Dlatego też, zdaniem autorów badania, nowa praca pokazuje, że zwierzęta, podobnie jak ludzie, posiadają pewną formę wyobraźni.

- Wyobrażanie sobie to jedna z niezwykłych rzeczy, które potrafią ludzie. Teraz odkryliśmy, że zwierzęta też to potrafią i znaleźliśmy sposób, aby to zbadać – przyznał Albert Lee, współautor badań.

Projekt rozpoczął się dziewięć lat temu. Lai jako student przybył na uczelnię z pomysłem sprawdzenia, czy zwierzęta potrafią myśleć, czy posiadają wyobraźnię. Podobnymi kwestiami zajmował się już będący zatrudniony w Instytucie Medycznym Howarda Hughesa Lee. Tak zaczęła się praca nad systemem pozwalającym zrozumieć, co myślą zwierzęta. Coś na kształt działającego w czasie rzeczywistym detektora myśli, który mógłby mierzyć aktywność neuronową i tłumaczyć jej znaczenie.

Po latach pracy powstał system wykorzystujący interfejs mózg-maszyna (BMI), który zapewnia bezpośrednie połączenie z mózgiem. Może on obrazować aktywność elektryczną hipokampa szczura na urządzeniu zewnętrznym. Do tego zaprzęgnięty jest też system wirtualnej rzeczywistości. W ten sposób rejestrowana jest aktywność hipokampa, która jest odnoszona do miejsca w wirtualnej rzeczywistości, gdzie znajduje się gryzoń.

Hipokamp przechowuje mentalne mapy otoczenia. Jest też związany z przywoływaniem przeszłych wydarzeń i wyobrażaniem sobie przyszłości. Proces ten, czyli przywoływanie pamięci, generuje specyficzne wzorce aktywności hipokampa. Gdy poruszamy się po jakimś środowisku, komórki w hipokampie uruchamiają się według określonych wzorców, w zależności od naszej lokalizacji. Kiedy później ponownie odwiedzimy te miejsca lub po prostu pomyślimy o nich, aktywują się te same sygnatury hipokampa. Do tej pory nie było jednak wiadomo, czy zwierzęta potrafią dobrowolnie kontrolować ten proces.

Opracowany interfejs pozwolił naukowcom sprawdzić, czy szczur może przywołać wspomnienia, czyli przywołać aktywność hipokampa, aby po prostu myśleć o jakimś miejscu, bez konieczności fizycznego znalezienia się w nim. Innymi słowy, chodziło i sprawdzenie, czy zwierzę jest w stanie wyobrazić sobie udanie się do miejsca, w którym się obecnie nie znajduje.

Opracowanie systemu to jedno. Należało jeszcze stworzyć "słownik myśli", który umożliwiłby badaczom dekodowanie sygnałów mózgowych szczura. Słownik ten zawiera określone wzorce aktywności hipokampa szczura, gdy ten czegoś doświadczał.

Szczury umieszczono na bieżniach w kształcie kuli, która umożliwiała im swobodne obracanie się. Dookoła nich wyświetlano zaprojektowany wcześniej w wirtualnej rzeczywistości świat. Szury poruszały się po wirtualnym świecie zwyczajnie chodząc po sferycznej bieżni. Gdy sobie tak spacerowały, wirtualna rzeczywistość generowała dla nich różnorakie scenerie. Kiedy nauczyły się już poruszać po tym cyfrowym królestwie, uczeni zaczęli je nagradzać smakołykami za dotarcie do określonego celu.

Jednocześnie system BMI rejestrował aktywność hipokampów gryzoni. Naukowcy w ten sposób mogli zobaczyć, które neurony są aktywowane, gdy szczur porusza się po wirtualnym świecie. Poznali przy okazji, jak wyglądają wzorce aktywności hipokampa, gdy dany szczur odwiedzał określoną lokalizację w wirtualnej rzeczywistości.

W następnym kroku naukowcy pozbyli się sferycznej bieżni, ale skaner do obrazowania aktywności mózgu pozostał. Pozostał też wirtualny świat wyświetlany gryzoniom, ale ich bieganie nie miało wpływu na poruszanie się po tym świecie. Zamiast tego zespół podłączył wyświetlacz do odczytów aktywności mózgu szczurów w czasie rzeczywistym. Odtwarzając aktywność mózgu, którą wykazywały podczas poprzednich sesji treningowych, szczury mogły nawigować do lokalizacji z nagrodami, używając wyłącznie swoich myśli.

Analizując aktywność mózgu szczurów w czasie rzeczywistym podczas wykonywania zadania, zespół był w stanie aktualizować ekran co 100 milisekund, na którym pokazywała się aktualna lokalizacja zwierząt w cyfrowym świecie. Wszystko to na podstawie tego, co działo się w ich mózgach. Okazało się, że szczury potrafią dotrzeć do celu wykorzystując jedynie aktywność mózgu.

Zasadniczo zwierzę wykorzystywało swoje myśli, aby dostać nagrodę. Najpierw zastanawiało się, dokąd musi się udać, aby ją otrzymać. Ten proces myślowy jest czymś, czego ludzie doświadczają regularnie. Na przykład, gdy zostaniemy poproszeni o odbiór artykułów spożywczych w znajomym sklepie, możemy wyobrazić sobie miejsca, które będziemy mijać po drodze, zanim jeszcze wyjdziemy z domu. W kolejnym zadaniu szczury były nagradzane za przeniesienie jakiegoś przedmiotu posługując się wyłącznie wyobraźnią. Oczywiście w wirtualnym świecie.

Naukowcy doszli do wniosku, że gryzonie potrafią precyzyjnie i elastycznie kontrolować aktywność hipokampa podobnie jak ludzie. Zwierzęta są również w stanie podtrzymać tę aktywność, zatrzymując swoje myśli w danym miejscu przez wiele sekund.

- Wiemy, że ludzie noszą w głowach reprezentacje wszelkiego rodzaju przestrzeni: pokoi w domu, domów znajomych, sklepów, bibliotek, dzielnic. Poprzez prosty akt wspominania możemy umiejscowić się w tych przestrzeniach. Sama myśl, że mamy zwierzęcy odpowiednik tego bardzo ludzkiego aktu wyobraźni, robi wrażenie - powiedział Sean Polyn, psycholog z Uniwersytetu Vanderbilt, który nie był zaangażowany w badania.

Źródło: Howard Hughes Medical Institute, Science