ネズミたちは車の運転を覚え、運転が大好きになった

この記事は クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversation から転載されました。

私たちはプラスチックのシリアル容器を使って、最初のネズミ用車を作りました。試行錯誤を重ねた結果、同僚たちと私は、ネズミがアクセルペダルのような役割を果たす細いワイヤーを掴むことで前進することを学習できることを発見しました。そしてすぐに、ネズミたちは驚くほど正確にハンドルを握り、フルーツループというおやつにたどり着くようになりました。

予想通り、おもちゃ、スペース、仲間などを備えた豊かな環境に飼育されたラットは、標準的なケージに飼育されたラットよりも速く運転を学習しました。この発見は、複雑な環境が神経可塑性、つまり生涯を通じて環境の要求に応じて脳が変化する能力を高めるという考えを裏付けています。

研究成果を発表した後、ネズミを操縦する話はメディアで大きく報道されました。私の研究室では、ロボット工学教授のジョン・マクマナス氏とその学生たちが設計した、改良された新型ネズミ操縦車両（ROV）を用いて、このプロジェクトを継続しています。この改良型電動ROVは、ネズミが操作できない配線、壊れないタイヤ、人間工学に基づいた操縦レバーを備えており、テスラのサイバートラックのネズミ版とも言えるでしょう。

実験動物を自然の生息地で飼育し、実験することを提唱する神経科学者として、このプロジェクトが私の研究室での実践からどれほど逸脱しているかを見るのは面白いと感じています。ラットは一般的に、プラスチック製の物よりも土、棒、石を好みます。そして今、私たちはラットに車を運転させました。

しかし、人類は車を運転するために進化したわけではありません。私たちの古代の祖先には車はありませんでしたが、柔軟な脳があり、火、言語、石器、農業といった新しい技術を習得することができました。そして、車輪の発明からしばらく経って、人類は自動車を作りました。

ラット用の車は、野生のラットが遭遇するようなものとはかけ離れていますが、運転はげっ歯類が新しいスキルを習得する過程を研究する上で興味深い方法だと考えました。予想外にも、ラットは運転訓練に強い意欲を示し、発進前に車に飛び乗って「レバーエンジン」を空ぶかしすることがよくあります。なぜでしょうか？

喜びの新たな目的地

心理学の入門書に載っている概念を、私たちのネズミ運転実験室で実践的な新たな次元へと昇華させました。戦略的インセンティブを通して目標行動を強化するオペラント条件付けなどの基礎学習アプローチを基に、ラットを段階的に運転教習プログラムに沿って訓練しました。

当初、ロボットたちは車に乗り込み、レバーを押すといった基本的な動作を学習しました。しかし、練習を重ねるうちに、こうした単純な動作は、特定の目的地に向かって車を操縦するといった、より複雑な動作へと進化しました。

パンデミックの最中のある朝、ネズミたちは私に深いことを教えてくれました。

2020年の夏、地球上のほぼすべての人々、実験用ラットでさえも、感情的な孤立に陥っていた時期でした。実験室に入ったとき、いつもと違うことに気づきました。運転訓練を受けた3匹のラットが、まるで散歩に行きたいかと尋ねられた時の犬のように、ケージの脇まで熱心に走り出したのです。

ネズミたちはいつもこうしていたのに、私が気づかなかっただけだろうか？フルーツループが待ち遠しかっただけなのか、それともドライブそのものを心待ちにしていたのだろうか？いずれにせよ、彼らは何かポジティブな感情を抱いているようだった。おそらく興奮と期待感だろう。

人間の場合、ポジティブな経験に関連する行動は喜びと結びついていますが、ネズミの場合はどうでしょうか？ネズミに喜びに似た何かを見ていたのでしょうか？神経科学の研究が、喜びやポジティブな感情が人間だけでなく人間以外の動物の健康に重要な役割を果たしていることを示唆していることを考えると、そうかもしれません。

それで、私と私のチームは、慢性的なストレスが脳にどのような影響を与えるかといった話題から、ポジティブな出来事やその出来事への期待が神経機能にどのような影響を与えるかという話題へと焦点を移しました。

ポスドク研究員のキティ・ハートヴィグセン氏と共同で、ポジティブな出来事が起こる前に期待を高めるために待機時間を設ける新しいプロトコルを設計しました。パブロフの条件付けを取り入れ、ラットはケージにレゴブロックを入れてからフルーツループを受け取るまで15分間待たなければなりませんでした。また、ラットパーク（遊び場）に入る前に輸送ケージ内で数分間待たなければなりませんでした。さらに、ヒマワリの種を食べる前に殻をむかせるなどの課題も追加しました。

これが私たちの「Wait for It」研究プログラムとなりました。この新しい研究分野をUPER（予測不可能なポジティブ体験反応）と名付けました。ラットは報酬を待つように訓練されました。対照群のラットは報酬をすぐに受け取りました。約1ヶ月の訓練後、ラットに様々なテストを実施し、ポジティブな体験を待つことが学習と行動にどのような影響を与えるかを調べます。現在、ラットの脳を詳しく観察し、長期にわたるポジティブな体験が神経学的にどのような影響を与えるかをマッピングしています。

げっ歯類の楽観性を測定するために設計された試験において、報酬を待つことを要求されたラットは、悲観的な認知スタイルから楽観的な認知スタイルへと移行する兆候を示すことが予備的な結果から示唆されました。ラットは認知課題においてより良い成績を収め、問題解決戦略においてもより大胆でした。私たちはこのプログラムを、私たちの研究室が持つ行動薬学（behaviorceuticals）への幅広い関心と結び付けました。これは、経験が医薬品と同様に脳の化学変化をもたらす可能性があることを示唆するために私が造語した用語です。

この研究は、予期が行動を強化する仕組みをさらに裏付けるものです。実験用ラットを用いた以前の研究では、ドーパミンの活性化を促進する刺激剤であるコカインを得るためにバーを押すラットは、コカインの摂取を予期している時点で既にドーパミンの急増を経験していることが示されています。

ネズミのしっぽの物語

私たちの注目を集めたのは、ネズミの行動に対する期待の影響だけではありませんでした。ある日、ある学生が奇妙なことに気づきました。良い経験を期待するように訓練されたグループのネズミのうち、1匹の尻尾がまっすぐ上に伸び、先端が曲がっていて、まるで昔ながらの傘の柄のようだったのです。

数十年にわたりラットの研究をしてきましたが、こんなことは初めてでした。ビデオ映像を検証したところ、ポジティブな経験を予期するように訓練されたラットは、訓練されていないラットよりも尻尾を高く上げる傾向が高いことがわかりました。しかし、これは一体何を意味しているのでしょうか？

興味が湧いたので、その行動の写真をソーシャルメディアに投稿しました。神経科学者たちは、これを「ストラウブ尾」と呼ばれる、オピオイドであるモルヒネを投与されたラットに典型的に見られる行動の、より穏やかな形態だと特定しました。このS字型のカールもドーパミンと関連しており、ドーパミンが阻害されると、ストラウブ尾行動は治まります。

痛みを軽減し報酬を高める脳内経路の重要な役割を担う天然の麻薬とドーパミンは、私たちの予期訓練プログラムにおける尾の上昇の明確な要因であると考えられます。ラットの尾の姿勢を観察することは、ラットの感情表現に関する理解に新たな一面を加え、感情が体全体で表現されることを改めて認識させてくれます。

ラットに運転が好きかどうかを直接尋ねることはできませんが、運転への動機を評価するための行動テストを考案しました。今回は、ラットにフルーツループツリーまで車で行く選択肢を与えるだけでなく、徒歩（この場合は足）でより短い距離を移動することも許可しました。

驚くべきことに、3匹のネズミのうち2匹は、報酬を背にして車まで走り、フルーツループの目的地まで運転するという、効率の悪い道を選びました。この反応は、ネズミが旅と報酬となる目的地の両方を楽しんでいることを示唆しています。

旅を楽しむためのネズミの教訓

動物のポジティブな感情を調査し​​ているチームは私たちだけではありません。

神経科学者のヤーク・パンクセップはネズミをくすぐって、ネズミの喜びの能力を実証したことで有名である。

研究では、ラットにとって好ましい低ストレス環境が、側坐核などの脳の報酬回路を再調整することも示されています。動物が好みの環境で飼育されると、側坐核のうち食欲刺激に反応する領域が拡大します。一方、ラットがストレスの多い環境で飼育されると、側坐核の恐怖刺激を生じる領域が拡大します。まるで脳が環境によって調律できるピアノであるかのように。

神経科学者のカート・リクター氏も、ラットに希望があるという主張を展開しました。今日では認められないであろうある実験で、ラットは水を満たしたガラスの円筒の中で泳ぎ、救助されなければ最終的には疲労困憊で溺死しました。人間が頻繁に扱う実験用ラットは、数時間から数日間泳ぎ続けました。野生のラットはわずか数分で諦めてしまいました。しかし、野生のラットは短時間でも救助されると、生存期間が劇的に延び、時には数日も延びることがありました。救助されたことがラットに希望を与え、前進を促したようです。

ラットの運転プロジェクトは、私の行動神経科学研究室に新たな、そして予期せぬ扉を開きました。恐怖やストレスといったネガティブな感情を研究することは重要ですが、ポジティブな経験もまた、脳に重要な影響を与えます。

人間であろうとなかろうと、動物は予測不可能な人生を歩む中で、ポジティブな経験を期待することは、人生の報酬を探し続ける粘り強さを生みます。即時の満足を求める現代において、これらのラットは、日常の行動を導く神経原理についての洞察を与えてくれます。目先の報酬を求めてボタンを押すのではなく、計画を立て、期待し、そして楽しむことが健全な脳の鍵となるかもしれないことを、彼らは私たちに思い出させてくれます。これは、私の実験用ラットたちが私に教えてくれた教訓です。