Природа гениальности опробована на мышах

Жанна Резникова,
доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией поведенческой экологии сообществ Института систематики и экологии животных СО РАН, зав. кафедрой сравнительной психологии НГУ
«Коммерсантъ Наука» №47, октябрь 2019

Мыши продемонстрировали способность выбирать оптимальную стратегию, умело сопоставляя соотношение риска и выгоды. Фото: Наиль Бикбаев

Случай и эксперимент с пластиковыми бутылками помог исследователям из Института систематики и экологии СО РАН найти удивительную замену обезьянам в когнитивных экспериментах.

Лев Толстой, охотясь на зайцев, индивидуальностей в них не видел. Удачной охотой признавалась такая, которая приносила добычу в 15–17 зайцев за день. О яркой личности дикого зайца (Little Warhorse: The History of a Jack Rabbit; в переводе Николая Чуковского «Джек — Боевой Конек») поведал Эрнест Сетон-Томпсон в одном из рассказов книги Wild Animals I Have Known (заметим, что jackrabbit — это не кролик, а один из видов зайцев). Ко времени публикации книги Сетона-Томпсона (1898) 70-летний Толстой уже пришел к мысли об уважении к жизни и страданиям животных, и в семье Льва Николаевича была произнесена фраза «Заяц орет, как дитя».

Джек Боевой Конек — именно так я назвала первое в своей жизни ручное животное, которым оказался крошечный зайчонок, выкупленный моим отцом у косарей и принесенный в деревенский дом, где мы снимали на лето комнату. Любопытно, что знаний, полученных семилетним ребенком из книг натуралистов («Лесная газета» Виталия Бианки была у меня настольной), хватило для того, чтобы выкормить, воспитать и выпустить в лес полноценного, крупного и быстроногого зайца, который в первый раз прибежал наутро в свою ночлежную клетку во дворе, сшибая с дороги деревенских котов, и лишь во второй, будучи унесен подальше и основательно напуган грохотом железок, как мы надеялись, прижился в лесу.

Абстрактная кормушка

Оставалось более полувека до появления на свет гениального самца полевой мыши, о котором я хочу рассказать. В отличие от шимпанзе Уошо, гориллы Коко и серого жако Алекса, овладевших полноценным диалогом с людьми (обезьяны изъяснялись на языке жестов, а попугай — на английском) и сохранивших свои имена для истории науки, мышь Николя пока что остается безымянным героем в наших публикациях, в которых впервые в мире показано, что полевые мыши могут судить о количественной стороне предметного мира на уровне приматов.

Речь идет прежде всего о нашей с Софьей Пантелеевой и Натальей Воробьевой статье, опубликованной в мартовском номере Animal Cognition. Эксперименты проводились на мышах, но не на лабораторных линиях Mus musculus, а на диких полевых мышах, принадлежащих к другому роду: Apodemus agrarius. Зверькам предлагали выбирать одну из двух кормушек, прикрытых бумажными шторками с изображениями разного количества геометрических фигурок: например, в одном испытании на одной шторке было пять фигурок, на второй десять, а в другом — на одной пять, а на другой шесть.

Опыты были организованы так, чтобы исключить влияние разных внешних факторов, в том числе запаха лакомства, которое зверьки получали в награду. Техника экспериментов подробно описана в статьях, включая научно-популярные.

Отличить 8 от 9

Здесь важно отметить, что мы пришли к весьма амбициозному предположению: если полевые мыши могут формировать ассоциации между абстрактными стимулами и вознаграждением и совершать верный выбор не только легко различаемых множеств (например, 5 и 10), но и отличать 5 от 6 и 8 от 9, то эту схему эксперимента можно использовать как модель при изучении ментальных нарушений у человека (например, болезни Альцгеймера).

Огромное количество работ в этой области экспериментальной медицины сделано на разных генетических линиях лабораторных мышей и крыс, которым предлагаются когнитивные тесты из большого, давно ставшего стандартным, набора. Это довольно простые задачи на запоминание и пространственную ориентировку. Поэтому и судить они позволяют лишь о достаточно грубых нарушениях в мозгу. Просто раньше никто и подумать не мог, что грызун может отличить 8 от 9 и ассоциировать точную дифференцировку с вознаграждением; подобные способности находили раньше только у приматов. Мы — в общем-то, случайно — нашли вид, который способен в подобных жизненно важных для человека исследованиях заменить обезьян.

И вкусные, и кусаются

Началось все с депеши «А у нас сегодня мышка родила вчера мышат!». Десять лет назад мы с Софьей Пантелеевой были на международной этологической конференции в Ренне, где я выступала как организатор симпозиума по способности животных к социальному обучению. Это интереснейшая область этологии, включающая такие вопросы, как возникновение локальных очагов «животной культуры» у приматов, китообразных, некоторых птиц и даже у крыс. Я еще упомяну об этой теме ниже, рассуждая об умных мышах. Вот туда и пришел е-мейл от нашей тогдашней аспирантки Ольги Выгоняйловой: одна из пойманных полевых мышек произвела на свет 11 потомков. Так было положено начало лабораторной группе полевых мышей, и в числе этих одиннадцати были два будущих отличника, безошибочно проходившие все экзамены на точное различение количества фигурок.

Но задача дифференцировать множества абстрактных визуальных стимулов была поставлена нашим мышам позже. Мы начинали с экологических исследований, желая узнать, могут ли зверьки количественно оценить соотношение риска и выгоды. Для этого мы нашли удачную поведенческую модель, уже зная к тому времени о непростых отношениях грызунов и рыжих лесных муравьев. Полевые мыши, хотя и боятся кусачих и агрессивных насекомых, но относятся к ним как к особо лакомой добыче. Биологи называют такие случаи «высокой гедонистической ценностью пищи». Ранее многие исследователи в опытах с разными видами животных, включая и беспозвоночных, показывали, как подопытные были способны выбирать большее количество единиц лакомства, если множества достаточно хорошо различаются. Но одно дело — изюмины или мухи (что кому больше нравится), а другое — если эти самые пищевые единицы вкусны до невозможности, но при этом больно кусаются. Поставив вопрос о способности животных к количественной оценке дилеммы «хочется и колется», мы оказались первопроходцами.

Меньше, да лучше

Многочисленные повторения показали способность зверьков хорошо различать множества пищевых единиц, даже если они бегают. Фото: Наиль Бикбаев

А всего-то и понадобились пластиковые бутылки. В пары прозрачных цилиндров помещали разное количество муравьев (5 и 15, 5 и 30, 10 и 30) и предлагали мышам выбор. Предварительные тренировки с кусочками сыра приучали их к тому, что в цилиндры стоит наведаться. Пластиковые крышки с разрезами позволяли мышке беспрепятственно войти и выйти, упруго поддаваясь весу зверька, а муравьи, будучи слишком легкими для такого действия, оказывались запертыми. Найдя вместо сыра муравьев, мыши предавались охоте на них. Раздраженные насекомые дорого продавали свою жизнь, вцепляясь в охотника и брызгая кислотой, так что одной попытки проникнуть в бутылку с 30 (или даже 10) муравьями полевой мыши хватало, чтобы в следующий раз попытаться сначала оценить обстановку. И они оценивали! Мыши продемонстрировали способность выбирать оптимальную стратегию, умело сопоставляя соотношение риска и выгоды, чтобы охотиться на муравьев с комфортом. Оказалось, что привычная стратегия выбора «чем больше, тем лучше» здесь не работает: в случае привлекательной, но опасной добычи мыши безошибочно выбирают меньшее количество этой самой добычи.

Мышь, похожая на орангутана

Поведение Николя сравнимо с поведением отдельных выдающихся личностей в шерсти или перьях, которых специалисты по социальному обучению называют инноваторами. Фото: Наиль Бикбаев

Но... за страницами сухой научной статьи остался Николя, мышиный гений. Он, собственно, и в таблицы наши не мог войти, так как выбора «больше-меньше» не осуществлял. Фотографии, сделанные Наилем Бикбаевым в нашей лаборатории, позволяют представить «ход мыслей» самца полевой мыши и последовательность его действий во всех деталях.

Николя даже и не подставлял свою шкурку под укусы муравьев, он засунул в цилиндр с рассерженными насекомыми только голову. Затем он долго оценивал обстановку, вглядываясь в прозрачные цилиндры и наблюдая за поведением насекомых. Потом он спокойно прохаживался, продолжая наблюдать... посмотрите, он больше похож на кота, чем на мышь! Большеглазый, с длинными усами, струящейся шелковистой шерстью и, главное, — хвост трубой! Приняв решение о последовательности действий, он, опять-таки по-кошачьи, прилег рядом с цилиндром и, поддевая коготком щели в крышке и немного расширяя их, выпускал муравьев по одному, пока не переловил и съел их всех! Так он поступал каждый раз, попав на экспериментальную арену. Поведение Николя сравнимо с поведением отдельных выдающихся личностей в шерсти или перьях, которых специалисты по социальному обучению называют инноваторами. Таковы, например, два орангутана, которые додумались добывать рыбу с помощью заостренной палки-«копья», два подростка шимпанзе, которые в популяции, никогда не использовавшей камни, вооружились ими, чтобы убивать насекомых, ворона, которая первой подложила орех под колеса грузовика, замедляющего ход на светофоре... Это отдельный и непростой вопрос, какие условия нужны для возникновения очага «животной культуры» и почему инноваторов чаще всего сторонятся их сородичи, вместо того чтобы им подражать (возможно, и у людей базовые реакции сходны).

Особо одаренные Николя

Николя, попавшего к нам из живоловки в самом начале лабораторных исследований, отличал приветливый нрав (он сразу шел в руки) и исключительная сообразительность на протяжении всей его долгой жизни. Он показывал прекрасные результаты и во второй серии опытов, когда мышам предлагали сопоставлять количества уже не муравьев, а геометрических фигурок. Но в этой серии требовалась точность выбора, сообразительность и хорошая память, а креативность скорее могла бы и помешать. Однако уже будучи настроены видеть в мышах индивидуальности, мы не могли не обратить внимание, что, как и ученики одного класса, наши мыши существенно различались по своим «математическим» способностям. Из 24 мышей, прошедших через все эксперименты с геометрическими фигурками, большинство действительно научились различать количество объектов. Мы использовали для статистической оценки результатов двусторонний биномиальный тест, который позволяет совершить определенное число ошибок: скажем, мышка, которая безошибочно прошла в одном тесте 35 из 45 экзаменов, считалась достоверно обучившейся. Но стоит особо отметить, что при самых сложных задачах на близкий выбор, когда на предлагаемых картинках было, скажем, 5 и 6 или 8 и 9 фигурок, четыре зверька провалили все тесты, а другие четыре прошли их все без единой ошибки. Среди этих четырех были два из нашего самого первого лабораторного выводка. Один из этих двух особо одаренных, получивший имя Николя Второй, прожил четыре года (рекорд для мелкого грызуна в неволе) и продолжал проходить тесты с высокой точностью до самой кончины. Примечательно, что его потомки тоже отличались умом и сообразительностью.

Особо одаренный зверек — Николя Второй — прожил четыре года (рекорд для мелкого грызуна в неволе) и продолжал проходить тесты с высокой точностью до самой кончины. Фото: Наиль Бикбаев

Экологический интеллект

Журнал Animal Cognition, где опубликована наша статья про «считающих» мышей, — основной форум исследователей, которые занимаются когнитивными способностями животных и изучают интеллектуальный потенциал представителей разных видов. Никого не удивляет, что обезьяны, лошади или вороны фигурируют в таблицах с результатами экспериментов под своими личными именами. Нам же рецензенты настоятельно рекомендовали убрать номера («имена») мышей и усреднить результаты, как это обычно делают в исследованиях на грызунах. Мы даже представили в статье такую усредненную таблицу, но настояли на публикации и своих данных, с индивидуальными историями отличников, хорошистов и двоечников. Проследив эти истории, мы обнаружили удивительную вещь: полевые мыши не показали никакого угасания умственных способностей с возрастом, они сохраняли полученные навыки по меньшей мере в течение месяца, а некоторые особи — значительно дольше. В то же время многочисленные исследования когнитивной деятельности разных генетических линий лабораторных мышей, хотя и выполненные на значительно более простых задачах, показывают, что стареющие животные значительно ухудшают свои показатели. Так что полевые мыши оказались вдвойне удивительными, и не исключено, что этот вид обладает специфическими особенностями нервной системы.

Интеллект полевых мышей, возможно, связан с их экологическими характеристиками. Они заселяют разнообразные ландшафты (в том числе и урбанизированные) и легко перестраивают поведение при изменении условий. Однако известно о их жизни очень мало, их поведение в природе никто детально не исследовал. Меж тем вот что удалось недавно подсмотреть в дикой жизни этих животных сотруднице Государственного биологического музея им. К. А. Тимирязева, другу нашей лаборатории Асе Штейман (устное сообщение): «Они носились, подпрыгивали, останавливались попарно, чистились, потом внезапно щипали друг друга; при этом та, которую щипали, не отвечала и не убегала, они могли меняться ролями. Иногда вмешивались другие мыши, и начиналась беготня и прыжки нескольких мышей (до шести насчитала). Все это рассыпалось, собиралось снова. При этом было ощущение, что всем им социальный контекст понятен, кто с кем должен бегать, чье вмешательство может разрушить отдых, а чье нет».

Мышиная когнитивность

Итак, мы открыли модельный вид грызунов, разительно превосходящий лабораторных мышей и крыс по когнитивным способностям. Отдельные умники демонстрируют особенно удивительные результаты. Стоит отметить, что даже при использовании генетических линий обычных лабораторных мышей от проявления индивидуальности никуда не деться. Как правило, это не учитывается, и исследования, посвященные когнитивной вариабельности у лабораторных мышей, чрезвычайно редки. Одно из них, опубликованное в журнале Science, показало, что жизнь в среде, обогащенной разными «лазилками» и социальным общением, приводит к тому, что в группе генетически идентичных мышей проявляются значительные различия в поведении и способностях к обучению, обусловленные пластичностью мозга и по-разному происходящим нейрогенезом в гиппокампе.

В области постижения загадок мозга и разных путей его развития предстоит еще немало открытий. И если раньше считалось, что мышь нам на этом пути не товарищ, то теперь видно, что и в исследовании природы гениальности эти зверьки могут нам помочь.