捕食者机器人帮助研究人员发现斑马鱼幼虫是如何快速学习的

Janelia的研究人员开发了一种新系统，该系统使用捕食者机器人在竞技场周围追逐斑马鱼幼虫，使科学家能够了解这些日龄的鱼类在现实世界中是如何快速学习的

幼年斑马鱼是神经科学家的宝贵工具，他们使用这种微小透明的鱼来探索大脑如何控制行为，但科学家们很难研究这些发育中的脊椎动物的学习——这是理解大脑如何工作的重要组成部分

之前的研究发现，年轻的斑马鱼可以学习简单的联想。但这种学习过程缓慢，而且往往不可靠，目前尚不清楚几天大的斑马鱼是否能够快速学习，以便在自然情况下使用它们的记忆，比如识别和避免新的捕食者

由博士后科学家Dhruv Zocchi和高级组长Misha Ahrens领导的Janelia研究人员认为，在实验室中测试斑马鱼幼虫学习的传统方法——那里的条件与鱼类在野外会遇到的条件相去甚远——可能无法有效地揭示鱼类是如何学习的

相反，该团队决定模拟一种现实生活中的体验：被最初看起来不像捕食者的东西追赶。为了模拟这一点，研究人员使用了小型机器人圆柱体，其中一些被编程为显示类似捕食者的特征

利用这一新系统，研究人员意外地发现，斑马鱼幼虫不仅可以在更自然的环境中稳健、极快地学习，而且它们也可以在作为单细胞开始生活五天后学习。研究人员表明，幼年斑马鱼很快学会了识别非捕食者和捕食者机器人，并学会了避开后者

Ahrens说：“这是一个悬而未决的问题：斑马鱼幼虫在快速学习方面有多聪明。”。“Dhruv对如何做到这一点有正确的直觉，也有正确的勇气尝试一些非常不同的东西。”

研究结果发表在《当代生物学》杂志上

图片来源：Zocchi等人。模拟现实生活中的学习

在野外，斑马鱼的捕食者并不总是一样的：随着斑马鱼和捕食者的迁徙，它们可能会代代相传。在这些情况下，鱼需要快速学习在它们的环境中要避开谁，因此研究小组认为这将是测试斑马鱼幼虫学习能力的理想环境

为了模拟这种体验，研究人员首先将一个机器人放在一个有自由游泳斑马鱼的竞技场上。当机器人静止时，鱼会探索整个竞技场，包括机器人周围的区域

接下来，研究人员让机器人追逐鱼约一分钟，然后再次静止。仅仅一分钟的追逐就让鱼知道机器人可能很危险，导致鱼避开机器人周围的区域超过一个小时——这与追逐体验前的非回避行为相比发生了很大变化

此外，当研究人员引入第二个不追赶鱼的机器人时，鱼只会避开追赶它的机器人，显示出在环境中区分危险和良性实体的良好能力

总之，这些实验表明，经过大约一分钟的训练，鱼学会了避开捕食者机器人，这种记忆持续了一个多小时。这尤其令人惊讶，因为发育中的斑马鱼幼虫只含有成年斑马鱼中约1%的神经元

Zocchi说：“当你处理像幼年斑马鱼这样的生物体时，它仍在发育中，可能还没有完全的认知能力，事实证明，你不能总是依赖这些更标准化的技术，回到它们可以执行的更自然、与生态相关的任务是有用的。”。“这就是采取这种不那么标准、在某种意义上更混乱的方法让这些机器人四处移动的动机。但正如我们所看到的，这种解锁的行为是我们过去从未见过的。”

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斑马鱼大脑的多区域大脑网络全脑成像显示，斑马鱼学习识别和避开捕食者机器人需要两个相互关联的信号

一个快速的教学信号来自鱼类的去甲肾上腺素能系统，后脑细胞——一个控制基本功能的区域——对接近的捕食者做出反应。分布在前脑（一个与学习和规划相关的区域）的较慢信号编码了捕食者机器人的存在。这两个区域都是学习所必需的，沉默其中任何一个区域都会剥夺鱼的学习能力。研究人员发现，缰核是一个已知参与发出厌恶结果信号的大脑区域，也是学习所必需的

这项新研究表明，这种多区域的大脑网络是年轻脊椎动物在生命的第一周内迅速学会识别捕食者的能力的基础。因为这发生在鱼学会狩猎或完成其他类型的学习之前，研究表明，不同的联想学习能力可能会交错出现，而一些很早出现的能力——比如学习确定哪些鱼是捕食者，哪些是良性的——可能是生存最重要的学习方式

这些发现可以帮助科学家更好地理解学习是如何在具有大型神经元网络的大脑中发生的。神经科学家越来越多地发现，即使是简单的学习也需要来自大脑大片区域的输入，这在其他动物身上很难研究，但可以在斑马鱼身上完成

Zocchi说：“为了研究这些更全面的现象，你需要一个系统，在这个系统中，你可以覆盖整个大脑的很大空间距离，同时解决单个细胞的动态问题。”。“我们现在有可能以相对公正的方式在全脑范围内探测这些东西。”