Een neurowetenschapper leerde ratten autorijden – en toen werd het raar

We hebben onze eerste knaagdierauto gemaakt van een plastic graancontainer. Na vallen en opstaan ​​ontdekten mijn collega's en ik dat ratten konden leren vooruit te rijden door een draadje vast te pakken dat als een gaspedaal fungeerde. Het duurde niet lang voordat ze met verrassende precisie stuurden om een ​​Froot Loop-traktatie te bereiken.

Zoals verwacht leerden ratten die in een verrijkte omgeving waren gehuisvest – compleet met speelgoed, ruimte en metgezellen – sneller rijden dan ratten in standaardkooien. Deze bevinding ondersteunde het idee dat complexe omgevingen versterken de neuroplasticiteit: het vermogen van de hersenen om gedurende de hele levensduur te veranderen als reactie op de eisen van de omgeving.

Nadat we ons onderzoek hadden gepubliceerd, het verhaal van het besturen van ratten ging viraal in de media. Het project gaat verder in mijn laboratorium met nieuwe, verbeterde door ratten bestuurde voertuigen, of ROV's, ontworpen door een professor in de robotica John McManus en zijn studenten. Deze verbeterde elektrische ROV's – met ratbestendige bedrading, onverwoestbare banden en ergonomische rijhendels – lijken op een knaagdierversie van Tesla's Cybertruck.

Als neurowetenschapper wie pleit ervoor Bij het huisvesten en testen van proefdieren in natuurlijke habitats vond ik het grappig om te zien hoe ver we met dit project zijn afgedwaald van mijn laboratoriumpraktijken. Ratten geven doorgaans de voorkeur aan vuil, stokken en stenen boven plastic voorwerpen. Nu lieten we ze autorijden.

Maar mensen zijn ook niet geëvolueerd om te autorijden. Hoewel onze voorouders geen auto’s hadden, ze hadden flexibele hersenen waardoor ze nieuwe vaardigheden konden verwerven: vuur, taal, stenen werktuigen en landbouw. En enige tijd na de uitvinding van het wiel maakten mensen auto's.

Hoewel auto’s gemaakt voor ratten verre van alles zijn wat ze in het wild tegenkomen, geloofden we dat autorijden een interessante manier was om te bestuderen hoe knaagdieren nieuwe vaardigheden verwerven. Onverwacht ontdekten we dat de ratten een intense motivatie hadden voor hun rijtraining, waarbij ze vaak in de auto sprongen en de “hendelmotor” lieten draaien voordat hun voertuig de weg op ging. Waarom was dat?

Binnen de ratrace

Concepten uit inleidende psychologieboeken kregen een nieuwe, praktijkgerichte dimensie in ons laboratorium voor knaagdierenrijden. Voortbouwend op fundamentele leerbenaderingen zoals operante conditioneringdat gericht gedrag versterkt door middel van strategische prikkels, hebben we de ratten stap voor stap getraind in hun chauffeursprogramma's.

Aanvankelijk leerden ze basisbewegingen, zoals in de auto klimmen en op een hendel drukken. Door oefening evolueerden deze eenvoudige handelingen echter naar complexer gedrag, zoals het sturen van de auto naar een specifieke bestemming.

De ratten hebben mij op een ochtend tijdens de pandemie ook iets diepgaands geleerd.

Het was de zomer van 2020, een periode die werd gekenmerkt door emotioneel isolement voor bijna iedereen op de planeet, zelfs voor laboratoriumratten. Toen ik het laboratorium binnenliep, merkte ik iets ongewoons op: de drie rijgetrainde ratten renden gretig naar de zijkant van de kooi en sprongen op zoals mijn hond doet als hem wordt gevraagd of hij een wandeling wil maken.

Zag ik iets dat leek op vreugde in een rat?

Hadden de ratten dit altijd gedaan en had ik het gewoon niet gemerkt? Waren ze gewoon benieuwd naar een Froot Loop, of anticipeerden ze op de rit zelf? Hoe dan ook, ze leken iets positiefs te voelen – misschien opwinding en verwachting.

Gedrag dat verband houdt met positieve ervaringen wordt bij mensen geassocieerd met vreugde, maar hoe zit het met ratten? Zag ik iets dat leek op vreugde in een rat? Misschien wel, gezien het feit dat neurowetenschappelijk onderzoek dit steeds vaker suggereert vreugde en positieve emoties spelen een cruciale rol in de gezondheid van zowel menselijke als niet-menselijke dieren.

Daarmee verlegden mijn team en ik de focus van onderwerpen als hoe chronische stress de hersenen beïnvloedt naar hoe positieve gebeurtenissen – en het anticiperen op deze gebeurtenissen – neurale functies vormgeven.

Samenwerken met postdoctoraal onderzoeker Kitty Hartvigsenheb ik een nieuw protocol ontworpen dat wachttijden gebruikte om de verwachting voor een positieve gebeurtenis te vergroten. Brengen Pavloviaanse conditionering in de mix moesten ratten 15 minuten wachten nadat een Lego-blok in hun kooi was geplaatst voordat ze een Froot Loop ontvingen. Ze moesten ook een paar minuten in hun transportkooi wachten voordat ze Rat Park, hun speelruimte, binnengingen. We hebben ook uitdagingen toegevoegd, zoals ervoor zorgen dat ze zonnebloempitten pellen voordat ze worden gegeten.

Dit werd onze Wacht erop onderzoeksprogramma. We noemden deze nieuwe onderzoekslijn UPERs – onvoorspelbare positieve ervaringsreacties – waarbij ratten werden getraind om op beloningen te wachten. Controleratten ontvingen hun beloningen daarentegen onmiddellijk. Na ongeveer een maand training stellen we de ratten bloot aan verschillende tests om te bepalen hoe het wachten op positieve ervaringen de manier waarop ze leren en zich gedragen beïnvloedt. We kijken momenteel in hun hersenen om de neurale voetafdruk van langdurige positieve ervaringen in kaart te brengen.

Voorlopige resultaten suggereren dat ratten die op hun beloning moeten wachten, tekenen vertonen van een verschuiving van een pessimistische cognitieve stijl naar een optimistische stijl in een test die is ontworpen om het optimisme van knaagdieren te meten. Ze presteerden beter op cognitieve taken en waren brutaler in hun probleemoplossende strategieën. We hebben dit programma gekoppeld aan de bredere interesse van ons laboratorium in gedragceuticalseen term die ik heb bedacht om te suggereren dat ervaringen de chemie van de hersenen op dezelfde manier kunnen veranderen als farmaceutische producten.

Dit onderzoek biedt verdere ondersteuning voor de manier waarop anticipatie gedrag kan versterken. Eerder onderzoek met laboratoriumratten heeft aangetoond dat ratten die op een staaf drukken voor cocaïne – een stimulerend middel dat de dopamine-activatie verhoogt – al een golf van dopamine ervaart omdat ze een dosis cocaïne verwachten.

Veranderingen van kop tot staart

Het waren niet alleen de effecten van anticipatie op het gedrag van ratten die onze aandacht trokken. Op een dag merkte een student iets vreemds op: een van de ratten in de groep die was getraind om positieve ervaringen te verwachten, had zijn staart recht omhoog met aan het uiteinde een kromming, die leek op het handvat van een ouderwetse paraplu.

Ik had dit nog nooit gezien in de tientallen jaren dat ik met ratten werkte. Bij het bekijken van de videobeelden ontdekten we dat de ratten die getraind waren om op positieve ervaringen te anticiperen, eerder geneigd waren hun staart omhoog te houden dan ongetrainde ratten. Maar wat betekende dit precies?

Nieuwsgierig plaatste ik een foto van het gedrag op sociale media. Collega-neurowetenschappers identificeerden dit als een zachtere vorm van wat men noemt Straub staarttypisch gezien bij ratten die de opioïde morfine kregen. Deze S-vormige krul is dat ook gekoppeld aan dopamine. Wanneer dopamine wordt geblokkeerd, neemt het gedrag van de Straub-staart af.

Natuurlijke vormen van opiaten en dopamine – sleutelspelers in hersenbanen die pijn verminderen en beloning vergroten – lijken veelbetekenende ingrediënten te zijn van de verhoogde staarten in ons anticipatietrainingsprogramma. Het observeren van de staarthouding bij ratten voegt een nieuwe laag toe aan ons begrip van de emotionele expressie van ratten, en herinnert ons eraan dat emoties door het hele lichaam worden uitgedrukt.

Hoewel we ratten niet direct kunnen vragen of ze van autorijden houden, hebben we een gedragstest bedacht om hun motivatie om te rijden te beoordelen. In plaats van ratten alleen de mogelijkheid te geven om naar de Froot Loop Tree te rijden, konden ze deze keer ook een kortere reis te voet maken – of in dit geval met hun pootjes.

Verrassend genoeg kozen twee van de drie ratten ervoor om het minder efficiënte pad te nemen door zich af te wenden van de beloning en naar de auto te rennen om naar hun Froot Loop-bestemming te rijden. Dit antwoord suggereert dat de ratten genieten van zowel de reis als de lonende bestemming.

Hoe hoop ratten vormt

Wij zijn niet het enige team dat positieve emoties bij dieren onderzoekt.

Neurowetenschapper Jaak Panksepp beroemd gekietelde rattendie hun demonstreren vermogen tot vreugde.

Onderzoek heeft ook aangetoond dat rattenomgevingen met weinig stress wenselijk zijn stem de beloningscircuits van hun hersenen opnieuw afzoals de nucleus accumbens. Wanneer dieren in hun favoriete omgeving worden gehuisvest, breidt het gebied van de nucleus accumbens dat reageert op smakelijke ervaringen zich uit. Als alternatief, wanneer ratten in een stressvolle context worden gehuisvest, breiden de angstwekkende zones van hun nucleus accumbens zich uit. Het is alsof het brein een piano is die de omgeving kan stemmen.

Neurowetenschapper Curt Richter pleitte er ook voor ratten die hoop hebben. In een onderzoek dat vandaag de dag niet zou worden toegestaan, zwommen ratten in glazen cilinders gevuld met water, en verdronken uiteindelijk van uitputting als ze niet werden gered. Laboratoriumratten die vaak door mensen werden gehanteerd, zwommen uren tot dagen. Wilde ratten gaven het al na een paar minuten op. Als de wilde ratten echter kortstondig werden gered, werd hun overlevingstijd dramatisch verlengd, soms met dagen. Het leek erop dat de redding de ratten hoop gaf en hen aanspoorde.

Het rijdende rattenproject heeft nieuwe en onverwachte deuren geopend in mijn onderzoekslaboratorium voor gedragsneurowetenschappen. Hoewel het van vitaal belang is om negatieve emoties zoals angst en stress te bestuderen, vormen positieve ervaringen ook op belangrijke manieren de hersenen.

Terwijl dieren – mensen of anderszins – door de onvoorspelbaarheid van het leven navigeren, helpt het anticiperen op positieve ervaringen de volharding te stimuleren om te blijven zoeken naar de beloningen van het leven. In een wereld van onmiddellijke bevrediging bieden deze ratten inzicht in de neurale principes die het dagelijks gedrag sturen. In plaats van op knoppen te drukken voor directe beloningen, herinneren ze ons eraan dat plannen, anticiperen en genieten van de rit de sleutel kan zijn tot gezonde hersenen. Dat is een les, mijn laboratoriumratten hebben mij goed geleerd.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek door Kella Lambert aan de Universiteit van Richmond. Lees de origineel artikel hier.