Att fly överhängande fara är avgörande för att överleva. Djur måste lära sig en ny miljö tillräckligt snabbt för att de ska kunna välja den kortaste vägen till säkerhet. Men hur gör de detta utan att någonsin ha upplevt hot i den nya miljön?

Neuroforskare vid Sainsbury Wellcome Center vid UCL undersökte hur möss lär sig om sin rumsliga miljö och de beteendestrategier de använder för att ta den kortaste vägen till ett skydd när de är rädda.

I en ny studie, publicerad idag i Current Biology , visar forskarna att möss lär sig den kortaste vägen att fly efter bara 10 minuters utforskande av miljön och de behöver inte tidigare erfarenhet av hot.

"I många neurovetenskapliga studier tränas möss för att lösa komplexa labyrinter och får mycket tid att lära sig hur man gör det. Men i naturen har möss inte den lyxen - när de står inför hot måste de fly till skydd så snabbt som möjligt. Frågan är hur möss lär sig detta mycket snabbt, utan möjlighet till försök och misstag, säger Tiago Branco, gruppledare vid Sainsbury Wellcome Center och motsvarande författare på tidningen.

För att utforska denna fråga genomförde SWC-forskarna en serie beteendeexperiment där de gav möss ett val mellan två eller tre vägar tillbaka till ett skydd. Forskarna använde ett högt ljud eller hotande stimulans, som simulerade ett rovdjur, för att skrämma mössen och observerade sedan deras väg tillbaka till skydd.

För det första blockerade neuroforskarna den direkta vägen till skydd och upptäckte att mössen lärde sig att använda en av de andra vägarna. Därefter undersökte forskarna om mössen kunde välja rätt mellan två vägar av olika längd. Experimenten skedde i mörker, vilket innebar att mössen inte kunde se den kortaste vägen. Forskarna observerade dock att möss verkligen föredrar den kortare vägen, särskilt när det finns en större skillnad mellan längden på de två vägarna.

För att förstå hur mössen lär sig detta, studerade forskarna de som upplevde hot för första gången och observerade att de oerfarna mössen redan hade en preferens för den kortare vägen. Således måste mössen skaffa sig denna information genom naturlig utforskning och behöver inte först uppleva hot för att lära sig hur man väljer den bästa flyktvägen. Dessutom lärde sig mössen detta efter bara 10 minuters utforskande av miljön.

"Möss är föråldrade av många arter och så för en mus är det väldigt viktigt att veta hur man flyr till säkerhet. Om du sätter en mus i en ny miljö är dess prioritet att kartlägga rymden och ta reda på hur man kommer till ett kassaskåp. Detta är i den naturliga repertoaren av musens beteende och behöver inte uttryckligen instrueras", sa Tiago Branco.

Traditionellt sett är det sätt som djur tros lära sig att uppleva värdet av något och kartlägga det på den rumsliga geometrin. Till exempel, om möss upprepade gånger utsattes för hot många gånger och kände sig stressade av att ta den långa vägen tillbaka till säkerheten, skulle de ge den längre vägen ett lägre värde och lära sig att ta den kortare vägen istället.

Men i det här experimentet gjorde inte djuren det. Istället antog mössen att den korta vägen var bäst för att fly. Forskarna hänvisar till detta antagande som en medfödd heuristik. Genom evolutionen har möss skaffat sig en uppsättning neurala kretsar som ger dem förmågan att göra dessa medfödda val efter naturlig utforskning.

"Djur är väldigt bra på att lära sig om saker som betyder något för dem. För att förstå mushjärnan och de algoritmer och neurala kretsar som stöder inlärning är det viktigt att titta på de beteenden som musen har utvecklats för att göra och de begränsningar som de är under för att lära sig snabbt och effektivt", kommenterade Tiago Branco.

För att utforska de algoritmer hjärnan kan använda för att göra det möjligt för mössen att välja den bästa flyktvägen, tittade forskarna på tre olika beräkningsmodeller och frågade om de konstgjorda algoritmerna kunde prestera lika bra som mössen i uppgiften. De fann att de tre algoritmerna alla fungerade väldigt bra om den konstgjorda musen fick utforska under en längre tid. Den riktiga musen hade dock bara 10 minuter på sig att utforska.

Och så matade forskarna den konstgjorda musen med de banor som den riktiga musen tog och de fann att den enklaste möjliga algoritmen, kallad modellfri, inte kunde lära sig att välja den kortaste vägen. De två mer komplexa modellerna, kallade modellbaserade, kunde lära sig den bästa utrymningsvägen men de var bara korrekta ungefär hälften av tiden. Detta ger forskarna en del insikter i vad hjärnan behöver för att mössen ska kunna välja den optimala flyktvägen.

Nästa steg för forskarna är att fördjupa sig i hur detta fungerar i hjärnan och hur möss kartlägger värde på handlingar i detta naturliga paradigm. Den här frågan är en liten bit av det större pusslet om hur djur väljer vilka handlingar de ska göra baserat på deras förväntningar om vad som kommer att bli bäst på kort eller lång sikt. Neuroforskarna hoppas kunna förstå denna form av värdekartläggning i ett handlingsbeteende för att få en inblick i vilka typer av algoritmer hjärnan kan använda för att implementera snabb inlärning.