Спонтанная организация исследовательского поведения рыб
, , A.
Институт биологии внутренних вод им. РАН, Борок
Когда животное оказывается в незнакомой обстановке, последовательность его передвижений в этой обстановке определенным образом организована. Эта организация наблюдается и тогда, когда действия животного нельзя объяснить реакциями на внешние ориентиры, присутствующие в незнакомой среде. Поэтому наблюдаемая организация спонтанна в том смысле, что она порождается процессами в нервной системе, регулирующими выбор того или иного поведения независимо от внешних сигналов. Следовательно, изучая поведение в незнакомой обстановке, можно судить об этих процессах.
В этом докладе мы: 1. опишем организацию передвижения рыб в незнакомой им обстановке; 2. Покажем, что эти передвижения можно объяснить набором правил, которые спонтанно сменяют друг друга в течение минут и, соответственно, изменяют организацию передвижений; 3. обсудим возможные когнитивные процессы, которые могли бы порождать спонтанную смену правил.
Правила передвижения рыб в лабиринте
Мы наблюдали поведение взрослых самцов и самок данио рерио (Danio rerio) и расборы звездной (Danio margaritatus) в крестообразном лабиринте с четырьмя слепыми коридорами, расходящимися из центра под прямым углом. Лабиринт был белого цвета и освещен рассеянным белым светом без теней. В лабиринте и вне его отсутствовали какие-либо ориентиры, которые позволяли бы рыбам отличать один коридор от другого. Рыб кормили ежедневно, однако в лабиринтах корм отсутствовал. Каждую особь помещали в лабиринт по отдельности и вели видеозапись её передвижений, в разных сериях экспериментов, от 15 до 25 мин. Всего получены записи движения 50 особей каждого из названных видов.
В течение первых пяти минут наблюдения частота переходов рыбы из коридора в коридор снижалась, а затем оставалась постоянной. За очень редкими исключениями, рыбы никогда не возвращались в тот же коридор, из которого только что вышли в центр лабиринта. При обработке данных коридоры были пронумерованы по часовой стрелке (1, 2, 3, 4) и описание поведения рыб сводилось к последовательности посещавшихся коридоров. В передвижениях рыб можно было выделить типичные последовательности посещений. Эти типичные последовательности были общими для рыб обоих видов, как самцов, так и самок:
1. Обходы не менее четырех коридоров по часовой стрелке или против неё (например, 1234 или 3412). Такое поведение можно объяснить применением простого правила: при выходе из коридора поворачивать всегда влево или всегда вправо. У рыб наблюдалась асимметрия направления движения: одни особи предпочитали обходить коридоры по часовой стрелке, а другие – в противоположном направлении. Это индивидуальное предпочтение сохранялось у особи при повторении эксперимента с перерывом в несколько дней. Однажды начавшись, обход проявлял тенденцию продолжаться. Например, вслед за последовательностью 4321 частота перехода в коридор 4 была выше 0,33 – величины, ожидаемой при случайном выборе коридоров рыбой. Это означает, что обходы представляют собой неслучайную, устойчивую последовательность передвижений.
2. Челночные передвижения между парой смежных коридоров (например, 1212), или парой противоположных (например, 2424). Челночное передвижение засчитывалось, если рыба посещала каждый коридор в паре не менее двух раз (как в приведенных выше примерах). Предполагаемое правило, порождающее такие передвижения: возвращаться в уже посещавшийся коридор сразу после посещения следующего. Однажды начавшись, челночные передвижения, так же как и обходы, проявляли тенденцию продолжаться: например, вслед за последовательностью 3232 частота возвращения в коридор 3 оказывалась статистически значимо выше 0,33. Такие же неслучайные возвращения были характерны для челночных передвижений между любой парой коридоров. Другими словами, челночные передвижения имели тенденцию устойчиво повторяться.
3. Посещения коридоров в случайном порядке, не подчиняющиеся приведенным выше правилам (например, 2432314124…). Следует отметить, что в крестообразных и других лабиринтах с радиально расположенными коридорами у многих животных наблюдается так называемое спонтанное чередование (spontaneous alternation): тенденция при очередном посещении чаще выбирать тот коридор, который не посещался дольше всего. Спонтанное чередование обнаружено у лабораторных крыс [1, 2] и диких видов грызунов [3], а также членистоногих [4]. Считается, что чередование отражает стремление животного к новизне, получению новой информации о среде. Такое чередование наблюдается и в отсутствие внешних признаков, по которым можно было бы отличить один коридор от другого. В этом случае чередование объясняется тем, что животное ориентируется в лабиринте, запоминая последовательность своих передвижений [2].
Внешне спонтанное чередование может напоминать случайную последовательность посещений коридоров. Поэтому мы проверили предположительно случайные последовательности на наличие спонтанного чередования. Обнаружить спонтанное чередование можно следующим образом. Пусть последовательность посещений коридоров в крестообразном лабиринте такова: 423123141324. Эта последовательность разделяют на перекрывающиеся пятерки посещений: 42312, 23123, 31231… . Чередование засчитывается, если в пятерке последовательных посещений животное посещает все четыре коридора. В данном примере для первой пятерки посещений 42312 чередование засчитано, а для следующей пятерки 23123 – нет, так как в ней отсутствует коридор 4. Общее число пятерок равно числу всех посещений коридоров в ходе наблюдения минус четыре. Показатель чередования для всей последовательности равен числу пятерок с чередованием, деленному на число всех пятерок. В данном примере общее число пятерок равно 12 – 4 = 8; из них число пятерок с чередованием равно 5; уровень чередования всей последовательности равен 5/8 или 0,625. При случайной последовательности посещений коридоров этот показатель был бы равен 0,4444… [2]. Средние показатели чередования для предположительно случайных последовательностей посещения коридоров в наших экспериментах практически не отличались от случайного уровня. Таким образом, эти последовательности действительно были случайными.
Не у всех рыб обнаруживались все перечисленные выше правила передвижения. Однако у большинства особей наблюдалась смена правил в течение непродолжительного эксперимента. При этом частота обходов, челночных передвижений и случайных последовательностей практически не изменялась в течение эксперимента. Например, рыба могла обходить коридор в начале наблюдения, затем перейти к челночным перемещениям между парой коридоров, затем к таким же перемещениям между другой парой, снова начать обход и т. д. Типичный фрагмент записи посещения коридоров выглядел следующим образом:
43434343123412341231212121212121432134121423421424312434242424242424242432143214321432. Здесь челночные передвижения выделены жирным шрифтом, а обходы подчеркнуты. Случайная последовательность показана обычным шрифтом. Таким образом, правила, определяющие организацию поведения рыбы, могут сменять друг друга в течение 15 – 25 минут в неизменной внешней обстановке.
Причины смены правил передвижения
Правила передвижения, обнаруженные нами у данио и расборы, порознь ранее наблюдались у разных животных. Систематический обход лабиринта известен у грызунов [5], пресмыкающихся [6 ] и рыб [7]. Асимметрия направления движения, в том числе асимметрия поворотов в лабиринтах также известна, в том числе у рыб [8]. В частности у данио рерио описаны обходы круглого аквариума по периферии [9]. Эти обходы могут быть аналогичными обходам лабиринта в наших экспериментах. Также известны у данио рерио стереотипные передвижения в противоположных направлениях вдоль одной из стенок аквариума [10, 11]. Возможно, они соответствуют челночным передвижениям в лабиринте.
Однако, все перечисленные правила передвижения изучались порознь, либо у разных видов, либо у разных особей одного вида, в разных экспериментальных условиях. Насколько нам известно, исследование смены правил передвижения у одной и той же особи в течение одного эксперимента не проводилось. Не известны и причины смены правил.
Смена правил и соответствующего им поведения в наших экспериментах происходила спонтанно, в неизменной среде, без каких-либо пусковых стимулов. При выполнении определенного правила рыбы обращали внимание только на определенные ориентиры в лабиринте, а другие ориентиры игнорировали. Например, во время челночных перемещений между противоположными коридорами рыбы игнорировали два других коридора.
Во время обходов у рыб проявляется асимметрия направления движения, а во время челночных передвижений она отсутствует. Асимметрия в поведении является следствием функциональной асимметрии нервной системы – генетически обусловленного устойчивого свойства организма, сохраняющегося на протяжении длительного времени [8]. То, что она не проявляется при челночных передвижениях, означает, что рыбы могут временно блокировать это свойство. Это означает, что смена правил может быть связана со спонтанным переключением между физиологическими механизмами, управляющими поведением.
Одно из возможных объяснений смены правил может быть основано на концепции внутренней мотивации (intrinsic motivation) [12]. Эта мотивация побуждает животное учиться предсказывать результаты своих действий. Она присутствует у животного постоянно и не связана с удовлетворением каких-либо частных физиологических потребностей. Под влиянием этой мотивации животное выбирает какое-либо действие, предсказывает его результат и затем оценивает ошибку предсказания. Ошибка представляет собой разность между предсказанным и полученным результатом. Исходя из этой ошибки, предсказание корректируется и действие повторяется. Животное запоминает динамику изменений ошибки при повторении действия. Чем быстрее уменьшается ошибка, тем, естественно, успешнее обучение. Если обучение идет успешно, то животное повторяет это действие снова и снова. Так как при повторении любое действие животного неизбежно варьирует, то варьируют и его результаты. Поэтому ошибка предсказания уменьшается постепенно. Если скорость уменьшения ошибки становится меньше некоторой пороговой величины, это означает, что результат действия предсказуем и в дальнейшем обучении нет смысла. В этом случае животное переключается на повторение другого действия. Переключение происходит и тогда, когда ошибка выше порога, но не снижается при повторении действия: это означает, что результат этого действия в данной обстановке непредсказуем, а потому его выполнение бессмысленно. Результаты и ошибка предсказания того или иного действия со временем забываются. Поэтому животное может возвращаться к повторению действий, выполнявшихся в прошлом [13].
На наш взгляд, подобным когнитивным процессом можно было бы объяснить и смену правил передвижения у рыб. Например, у рыбы может формироваться предсказание результата поворота влево при выходе из очередного коридора. Для проверки предсказания повороты повторяются. Передвижения рыбы при поворотах и посещениях очередного коридора варьируют. Соответственно варьируют и результаты поворотов, стимуляция, полученная при последовательных посещениях коридоров, несмотря на то, что все коридоры одинаковы. Поэтому для уменьшения ошибки предсказания до порогового уровня может потребоваться многократное повторение поворотов, вследствие чего и наблюдается обход коридора по часовой стрелке. Когда ошибка предсказания достигает порога, рыба выбирает новое правило, и процесс обучения повторяется, Со временем результаты выполнения того или иного правила забываются и рыба может вернуться к нему снова.
Заключение
Полученные нами экспериментальные результаты и предложенное объяснение этих результатов оставляют нерешенными некоторые вопросы. Во-первых, как выбирается очередное правило передвижения из тех правил, которые рыба может применить в конкретной обстановке? В некоторых моделях поведения, основанного на внутренней мотивации [13], предполагается, что при переключении на новое действие обычно выбирается такое действие, которое в прошлом обеспечивало наиболее быстрое снижение ошибки. Кроме того, с некоторой вероятностью новое действие может быть выбрано случайно. Предстоит проверить, насколько поведение рыб соответствует этим предположениям.
Во-вторых, остается неясным возможное адаптивное значение смены правил передвижениия. Известно, что в результате исследования незнакомой среды у животных формируется «когнитивная карта» этой среды. Такая карта формируется и у данио рерио при исследовании лабиринтов: рыбы запоминают взаимное расположение коридоров, даже если те не различаются по цвету или другим признакам [14]. Наличие когнитивной карты позволяет рыбам быстрее обучаться в уже знакомой среде, например, запоминать путь к источнику пищи [15]. Возможно, что смена правил способствует более быстрому формированию когнитивной карты.
В-третьих, остается неизвестным, насколько смена правил характерна для других видов рыб, а также представителей других таксонов животных, находящихся на разных уровнях эволюционного развития.
Ответы на все эти вопросы помогут лучше понять когнитивные процессы, лежащие в основе исследовательского поведения животных.
Авторы благодарны РФФИ за поддержку (проекты № 13-01-00399 и № 15-04-06379).
Литература
1. Hliňák Z., Krejčí I. Spontaneous alternation behaviour in rats: kynurenic acid attenuated deficits induced by MK-801 // Behavioural Brain Research. 2006. V. 168. №. 1. P. 144–149.
2. Lalonde R. The neurobiological basis of spontaneous alternation // Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2002. V. 26. №. 1. P. 91–104.
3. Jones M. A., Mason G. J., Pillay N. Correlates of birth origin effects on the development of stereotypic behaviour in striped mice, Rhabdomys //Animal Behaviour. 2011. V. 82. № 1. P. 149–159.
4. Chiussi R., Diaz H., Rittschof D., Forward R. B. Jr. Orientation of the hermit crab Clibanarius antillensis: effects of visual and chemical cues // Journal of Crustacean Biology. 2001. V. 21. P. 593–605.
5. Dubreuil D., Tixier C., Dutrieux G., Edeline J. M. Does the radial arm maze necessarily test spatial memory? // Neurobiology of learning and memory. 2003. V. 79. № 1. P. 109–117.
6. Mueller-Paul J., Wilkinson A., Hall G., Huber L. Response-stereotypy in the jewelled lizard (Timon lepidus) in a radial-arm maze // Herpetology Notes. 2002. V. 5. № 2. P. 243–246.
7. Hughes R. N., Blight C. M. Algorithmic behaviour and spatial memory are used by two intertidal fish species to solve the radial maze // Animal Behaviour. 1999. V. 58. № 3. P. 601–613.
8. Bisazza A., Dadda M., Cantalupo C. Further evidence for mirror-reversed laterality in lines of fish selected for leftward or rightward turning when facing a predator model // Behavioural Brain Research. 2005. V. 156. P. 165–171.
9. Swain H. A., Sigstad C., Scalzo F. M. Effects of dizocilpine (MK-801) on circling behavior, swimming activity, and place preference in zebrafish (Danio rerio) // Neurotoxicology and teratology. 2004. V. 26. № 6. P. 725–729.
10. Blaser R., Gerlai R. Behavioral phenotyping in zebrafish: comparison of three behavioral quantification methods // Behavior Research Methods. 2006. V. 38. № 3. P. 456–469.
11. López-Patiño M. A. Yu L., Cabral H., Zhdanova I. V. Anxiogenic effects of cocaine withdrawal in zebrafish. Physiology and behavior. 2008.№ 1. P. 160–171.
12. Oudeyer P.-Y., Kaplan F. What is intrinsic motivation? A typology of computational approaches // Frontiers in Neurorobotics. 2007. V. 1. № 6. P. 1–14.
13. Oudeyer P-Y., Kaplan F. Discovering communication // Connection Science. 2006. V. 18. № 2. P. 189–206.
14. Grossman L., Stewart A., Gaikwad S., Utterback E., Wu N., DiLeo J., Frank K., Hart P., Howard H., Kalueff A. V. Effects of piracetam on behavior and memory in adult zebrafish // Brain Research Bulletin. 2011. V.85. P. 58–63.
15. Sison M., Gerlai R. Associative learning in zebrafish (Danio rerio) in the plus maze // Behavioural Brain Research. 2010. V.207. P. 99–104.
