Экономичное, открытое и автоматизированное устройство для тестирования транзитивной инференции у мышей

Обучение мышей делать логические выводы

Представьте себе возможность задать мыши логический вопрос — если A лучше, чем B, а B лучше, чем C, что лучше: A или C? Такой тип рассуждений, называемый «транзитивной инференцией», является базовым элементом человеческого мышления и нарушается при таких состояниях, как шизофрения и болезнь Альцгеймера. В статье представлен AutoTI — недорогая полностью автоматизированная установка, позволяющая исследователям изучать этот вид рассуждений у мышей с большей точностью, скоростью и масштабом, чем прежде.

Простая коробка для сложных мыслей

В основе исследования — небольшой прозрачный бокс с шестью ноздревыми портами: пять на передней стенке, которые выступают в роли «элементов», и один на задней стенке, запускающий каждый триал. Когда мышь тыкает задний порт, два из передних портов загораются, и животное должно выбрать один из них. Тык в «лучший» порт приносит небольшой водный вознаграждение и короткий тон, тогда как неправильный выбор вызывает всплеск шума и краткий тайм-аут. Тщательно контролируя, какие пары портов загораются и какой из них вознаграждается, исследователи обучают мышей скрытому порядку среди пяти портов, например A>B>C>D>E, не показывая всю последовательность целиком.

Открытое оборудование за кулисами

AutoTI полностью работает на открытой электронике и программном обеспечении, благодаря чему стоимость целой камеры сопоставима со стоимостью простого ноутбука. Небольшая плата-микроконтроллер подключается к ноздревым портам, клапанам и динамику, а отдельная программа управляет потолочной веб-камерой, записывающей каждое движение мыши. Логика задачи реализована в свободно доступном коде, а все чертежи аппаратного обеспечения можно скачать и собрать вручную или заказать у производителей. Это означает, что любую лабораторию, даже с ограниченным финансированием, может построить несколько камер и запускать одновременно много мышей, что делает возможными крупные, тщательно контролируемые эксперименты по исследованию рассуждений у животных.

Исследование мышиной логики без участия человека

Используя AutoTI, команда обучила десятки мышей на перекрывающихся парах выборов портов — сначала изучая, что A побеждает B, затем что B побеждает C и так далее. После нескольких недель коротких полностью автоматизированных сессий каждый день многие мыши с высокой точностью усвоили эти базовые сравнения. Ключевой тест наступал, когда животным предлагали выбор между B и D — парой, которую они никогда раньше вместе не видели. Чтобы показать хороший результат, мыши должны были мысленно связать прошлый опыт: если B побеждал C, а C побеждал D, то B должен побеждать D. Большинство мышей поступали именно так, выбирая B заметно чаще, чем ожидалось по случайности, и многие сразу практически всегда отвечали верно с первой попытки. Такое поведение отражает результаты у людей и показывает, что животные не просто заучивали отдельные пары портов, а сформировали внутреннее чувство порядка.

Когда пространство помогает — и когда оно скрывает суть

Исследователи также изучали, как физическое расположение портов влияет на то, что усваивают мыши. В одной версии пять портов были расположены слева направо в том порядке, который соответствовал скрытой иерархии; простое предпочтение одной стороны могло помочь животному выиграть. В другой версии те же пять портов были переставлены так, что порядок нельзя было прочитать прямо по пространству. При очевидной компоновке мыши осваивали задачу быстрее, но их поведение лишалось двух классических признаков истинного иерархического знания: они не показывали лучшую производительность для пар, расположенных дальше друг от друга в скрытом порядке, и не проявляли характерного эффекта, когда «конечные» элементы последовательности легче судить. Эти признаки появлялись только когда пространственная подсказка была удалена, что указывает на то, что в более сложной компоновке мыши действительно строили внутреннюю ментальную карту отношений, а не полагались на простое смещение в сторону одной стороны.

Чтение разума через движение

Поскольку AutoTI непрерывно записывает видео, команда могла выйти за рамки простых оценок верно/неверно и изучать, как мыши перемещаются в камере. Наилучшие исполнители выбирали быстрые, прямые маршруты от порта инициирования к правильному выбору, в основном игнорируя порт, который никогда не вознаграждался. Менее успешные животные блуждали больше, проходили большие расстояния и выбирали менее эффективные траектории. Лучшие думатели также демонстрировали более частые движения сканирования головой — поведение, связанное в прошлых работах с обдумыванием у грызунов. Эти тонкие шаблоны движения дают новое поведенческое окно, показывающее, когда мышь «продумывает» выбор, и открывают путь к соотнесению конкретных сигналов мозга с разными этапами рассуждения.

Почему это важно для мозга и машин

В конечном счёте AutoTI — это не столько про хитрое оборудование, сколько про то, что оно позволяет сделать. Благодаря недорогому, масштабируемому и бесконтактному способу тестирования логического рассуждения у мышей исследователи теперь могут сочетать эту задачу с инструментами, записывающими или манипулирующими активностью мозга на уровне отдельных клеток. Это поможет выяснить, как такие области мозга, как гиппокамп и префронтальная кора, взаимодействуют для построения внутренних карт знаний и использования их для вывода в новых ситуациях. Поскольку похожие виды рассуждений нарушены при нескольких психиатрических и нейродегенеративных заболеваниях — и представляют собой ключевую задачу для систем искусственного интеллекта — подход AutoTI предлагает мощный мост между фундаментальной нейронаукой, исследованиями заболеваний и стремлением создавать машины, которые могли бы рассуждать более похоже на мозг.

Цитирование: Margarian, S., Chen, Y., Waheed, J. et al. Cost-effective, open-source, automated apparatus for testing transitive inference in mice. Sci Rep 16, 13071 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43430-x

Ключевые слова: транзитивная инференция, когниция мышей, автоматизированное поведение, реляционная память, открытая нейронаука