꿀벌은 후각 전이 추론 과제에 대한 훈련 후 연관 자극 강도에 의존합니다. > 뉴스

소개

동물 인지에 대한 연구에 따르면 일부 종은 개별 경험에 따라 사건을 순위를 매길 수 있습니다( Acuna et al., 2002 ;  Bond et al., 2003 ). 사건을 정렬하는 이러한 능력은 생존에 필수적입니다. 예를 들어, 채집 환경에서 동물은 영양가, 풍부함 및 기타 관련 기준과 같은 요소에 따라 식품을 순위를 매겨 효율성을 개선할 수 있습니다( Davis, 1992 ). 마찬가지로 사회적 맥락에서 위계와 지배 관계는 종종 개체 간의 순위에 따라 달라집니다( Bond et al., 2003 ;  Paz-y-Miño et al., 2004 ;  Grosenick et al., 2007 ). 자극 간의 이러한 관계를 확립하는 능력(A > B; B > C; 따라서 A > C)은  타동적 추론  ( Bryant 및 Trabasso, 1971 )으로 알려져 있으며 논리적 연역적 추론의 특징 중 하나로 간주됩니다( Vasconcelos, 2008 ).

전이적 추론 과제를 통해 연구자는 논리적 추론과 지식 조작을 연구할 수 있습니다( Potts, 1974 ;  Woocher et al., 1978 ;  Acuna et al., 2002 ;  Vasconcelos, 2008 ). 이는 기본 계열(A > B > C > D > E)의 겹치는 전제(A > B, B > C, C > D, D > E)에서 인접하지 않은 항목 간의 관계(B > D)를 추론하는 능력에 의해 경험적으로 입증됩니다. 이 맥락에서 D보다 B를 선호하는 것은 연역적 추론( von Fersen et al., 1991 ;  Vasconcelos, 2008 )에 기인할 수 있으며, 여기서 피험자는 암묵적 계층 구조 A > B > C > D > E의 통합적이고 선형적인 표현을 구성하고 조작합니다( Delius and Siemann, 1998 ;  Acuna et al., 2002 ).

또는 타동 추론의 연관 이론은 이 실험 설계에서 동물이 강화된 경험과 강화되지 않은 경험에 따라 반응할 수 있다고 제안합니다( Werner et al., 1992 ;  Wynne et al., 1992 ;  Siemann and Delius, 1993 ;  Siemann and Delius, 1998 ;  Terrace and McGonigle, 2016 ). 이 관점에 따르면 동물은 연역적 추론에 의존하기보다는 각 자극에 대한 강화된 경험과 강화되지 않은 경험의 수인 연관 강도에 따라 자극을 선택합니다. 이 두 계정을 구별하는 중요한 테스트에는 인접하지 않은 자극 B와 D를 제시하는 것이 포함됩니다. 훈련 중에 B와 D가 동등하게 강화되었다면(예: A+ 대 B– 및 B+ 대 C–; C+ 대 D– 및 D+ 대 E–, 여기서 +와 – 기호는 각각 강화의 존재와 부재를 나타냄) 두 자극은 강화와 비강화와 동등하게 쌍을 이루므로 동등한 연관 강도를 가질 것입니다. 결과적으로 연관 강도에 따라 안내되는 피험자는 B와 D에 동등하게 반응할 것입니다. 그러나 피험자가 훈련에서 학습한 계층 구조의 정신적 표상을 사용하는 경우, 동등한 연관 강도에도 불구하고 B를 D보다 선호해야 합니다.

인간을 넘어( Bryant와 Trabasso, 1971 ;  Delius와 Siemann, 1998 ) 다양한 비인간 종도 타동적 추론 능력을 보여주었습니다. 예를 들어, 물고기( Grosenick et al., 2007 ), 비둘기( von Fersen et al., 1990 ;  von Fersen et al., 1991 ;  Siemann and Delius, 1994 ;  Wynne, 1997 ), corvids( Bond et al., 2003 ), pinyon jays( Paz-y-Miño et al., 2004 ), 쥐( Davis, 1992 ;  Dusek and Eichenbaum, 1997 ), 다람쥐원숭이( McGonigle and Chalmers, 1977 ;  McGonigle and Chalmers, 1992 ), 원숭이( Treichler and Van Tilburg, 1996 ) 및 침팬지( Gillan, 1981 ;  Boysen et al., 1993 ) 일관되게 선호 다중 판별 훈련(A+ 대 B–, B+ 대 C–, C+ 대 D–, D+ 대 E–) 후 테스트에서 B 대 D. 전이적 추론은 해마( Dusek 및 Eichenbaum, 1997 ;  Eichenbaum 및 Fortin, 2009 ;  Devito et al., 2010 )와 연관되어 있으며, 해마는 항목과 이벤트 간의 중요한 관계를 처리하고 저장하여 새로운 상황에서 기억을 유연하게 사용할 수 있게 합니다.

무척추동물에서 전이적 추론은 꿀벌( Benard and Giurfa, 2004 )과 말벌( Tibbetts et al., 2019 )의 두 곤충 종에서 작동적 맥락에서 연구되었으며 대조적인 결과가 나왔습니다.자유롭게 나는 꿀벌은 4개의 겹치는 전제 쌍으로 배열된 5개의 뚜렷한 흑백 패턴을 구별하기 위해 Y자 미로에 들어가도록 훈련되었습니다.여기서 한 자극은 자당 용액으로 보상되고 다른 자극은 보상되지 않았습니다( Benard and Giurfa, 2004 ).이 연구에서는 자극의 계층적 순위가 발견되지 않았는데, 인접하지 않은 자극 B와 D에 대한 테스트에서는 선호도가 나타나지 않았기 때문에 선택은 각 자극의 연관 강도에 따라 결정되었음을 나타냅니다( Benard and Giurfa, 2004 ).  Polistes  말벌은 직사각형 상자의 반대쪽 벽에 표시된 4개의 겹치는 전제 쌍으로 배열된 5가지 색상으로 훈련되었습니다. 한 색상은 전기 충격과 짝을 이루고 다른 색상은 그렇지 않았습니다( Tibbetts et al., 2019 ). 훈련 후, 꿀벌과 달리 말벌은 이러한 비인접 자극으로 테스트했을 때 D보다 B를 선호했으며, 이는 전이적 추론에 기반한 색상 계층을 나타냅니다( Tibbetts et al., 2019 ).

두 연구 모두 작용 훈련에 의존하여 이러한 설정에서 곤충은 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 강화 제어 문제를 제기했습니다.결과적으로 강화 결과는 곤충의 선택과 행동에 따라 달라졌습니다.자유로운 움직임과 선택을 통해 동물은 강화되지 않은 대안을 피하는 법을 빨리 배울 수 있으며, 그 결과 실험자가 처음 계획한 것보다 강화되지 않은 경험이 줄어듭니다.이는 동물의 선택이 연관 요인이나 전이적 추론의 영향을 받는지 확인하기 위해 각 자극의 강화 내역을 정확하게 제어해야 할 필요성을 강조합니다.꿀벌의 경우 강화 내역을 완전히 제어하여 전이적 추론 문제를 해결하는 것은 코 확장 반응(PER)의 후각 조절이라는 파블로프 조절 프로토콜을 사용하여 달성할 수 있습니다( Bitterman et al., 1983 ;  Menzel, 1999 ;  Giurfa, 2007 ;  Giurfa and Sandoz, 2012 ). 이 프로토콜에서, 제지된 꿀벌은 후각 자극을 자당 용액 보상과 연관시키는 법을 배웁니다. 배고픈 꿀벌의 더듬이가 자당 용액에 닿으면, 꿀벌은 반사적으로 코를 뻗어 자당을 소비합니다. 냄새만으로는 순진한 꿀벌에서 이 반사 작용을 일으키지 않지만, 냄새와 자당을 전방 페어링하면 연관이 생겨서 후속 테스트에서 냄새가 PER을 유발할 수 있습니다( Bitterman et al., 1983 ). 이 프로토콜에서 냄새는 조건 자극(CS)으로 작용하는 반면, 자당 용액은 강화하는 무조건 자극(US)으로 작용합니다. 강화 전달은 전적으로 실험자에 의해 제어되므로, 꿀벌의 반응은 냄새-자당 연관 학습에 영향을 미치지 않습니다( Bitterman et al., 1983 ). 보상이 주어지는 냄새와 보상이 주어지지 않는 냄새를 구별하는 법을 꿀벌이 배워야 하는 차별 조건 형성에서, 이 프로토콜은 강화된 시도(CS+ 시도)와 보상이 주어지지 않는 비강화 시도(CS- 시도)를 모두 제공할 수 있도록 합니다.CS- 시도에 대한 훨씬 더 효과적인 접근 방식은 역방향 페어링으로 무조건 자극(US)을 조건 자극(CS) 앞에 제시하는 것입니다.이 방법은 CS-에 대한 억제 학습을 유도하여( Hellstern et al., 1998 ) 구별력을 향상시킵니다( Schleyer et al., 2018 ).

PER 프로토콜은 후각 영역에서 다양한 학습 및 판별 과제를 연구하는 데 널리 사용되었습니다(  Giurfa 및 Sandoz, 2012 의 리뷰 참조 ). 그러나 PER 패러다임을 사용하여 전제 쌍을 조건화하는 것이 가능함에도 불구하고 전이적 추론을 조사하려는 시도는 아직 이루어지지 않았습니다. 이 접근 방식은 벌이 시리즈의 각 자극에 대해 갖는 흥분성(+) 및 억제성(-) 경험의 수를 정확하게 제어할 수 있게 합니다. 이러한 수준의 제어는 작동적 조건화 설정에서는 달성하기 어렵습니다.

우리는 코 확장 반사(PER)의 차등 후각 조절을 사용하여 꿀벌을 훈련시켰는데, 여기서 한 냄새는 자당 용액으로 보상받았고(CS+ 시행), 다른 냄새는 자당 용액과 역방향 페어링되었습니다(-CS 시행; 이후 역방향 US 전달을 설명하기 위해 마이너스 부호는 반전되었습니다). 꿀벌은 정의된 계층 구조(A > B > C > D > E 또는 A < B < C < D < E)로 배열된 네 가지 전제 쌍의 냄새로 조절되었습니다. 우리의 목표는 꿀벌이 전이적 추론을 형성할 수 있는지 또는 이러한 조건에서 경험한 자극의 연관 강도에 의존하는지 확인하고 반응의 기저에 있는 메커니즘을 탐구하는 것이었습니다.

재료 및 방법

과목

영어: 꿀벌 채집벌( Apis mellifera )은 이전에 훈련받은 30%의 자당 용액(w/w)이 담긴 먹이통에 착륙하자마자 포획했습니다. 실험은 이러한 먹이통에 대한 훈련이 가능한 늦은 봄과 여름에 수행되었습니다. 포획한 각 꿀벌을 작은 유리 바이알에 넣고 -6°C의 냉동고에서 3~4분 동안 식혀서 고정했습니다. 그런 다음 꿀벌을 작은 튜브에 넣고 머리가 튀어나오게 하여 더듬이와 코를 포함한 구기만 움직일 수 있도록 했습니다. 그런 다음 각 꿀벌에게 30% 자당 용액 4 μL를 먹이고 습한 여과지가 있는 어두운 상자에 2시간 동안 그대로 두었습니다. 각 실험 10분 전에 꿀벌의 코 확장 반사(PER)가 손상되지 않았는지 테스트하기 위해 30% 자당 용액(w/w)에 담근 이쑤시개로 더듬이를 살짝 만졌습니다. 열린 턱 사이의 가상선을 넘어 코가 확장된 것은 PER(무조건 반응)로 계산되었습니다. 반사를 보이지 않는 벌(<5%)은 실험에서 제외되었습니다.

무조건 자극과 조건 자극

무조건 자극(US)은 항상 30% 수크로스 용액(w/w)이었습니다.조건 자극(CS)은 후각 PER 조절 실험에서 잘 구별되는 1-헥사놀, 2-헥사논, 헵타날, 2-노나놀 및 유게놀(모두 독일 다이젠호펜의 Sigma-Aldrich에서 구입)과 같은 후각 물질이었습니다.이러한 후각 물질은 사용된 5가지 후각 물질 중 4가지(1-헥사놀, 2-헥사논, 헵타날 및 2-노나놀)를 포함하는 일반화 행렬을 기반으로 선택되었으며 교차 일반화가 낮았습니다( Guerrieri et al., 2005 ).또한 유게놀과 관련된 누락된 비교에 대한 예비 데이터가 있어 일반화가 낮음을 나타냈습니다.

각 냄새 물질 4마이크로리터를 여과지의 새 스트립에 바르고, 20mL 플라스틱 주사기에 넣었습니다. 각 실험 동안, 약 5cm 거리에서 주사기를 살짝 눌러 향기로운 기류를 벌의 더듬이로 향하게 했습니다. 벌 뒤에 배기 시스템을 설치하여 냄새가 나는 공기를 제거했습니다.

세 가지 실험 모두에서, 각 그룹 내에서, 그리고 각 벌에 대해, 특정 후각 물질이 ​​A, B, C, D, E 범주에 할당되었습니다. 그런 다음, 후각 물질 순서가 각 후속 벌에 대해 바뀌어, 각 후각 물질이 ​​범주에 고르게 분포되도록 했습니다.

조절

모든 실험에서 차별 조건 형성이 사용되었는데, 여기서 동물은 강화된 냄새 물질에 반응하는 법을 배우고 강화되지 않은 냄새 물질에 대한 반응은 억제했습니다. 동일한 냄새 물질을 사용한 예비 실험에서 강화된 냄새 물질과 강화되지 않은 냄새 물질 사이에서 일반화 비율이 높음을 관찰했습니다. 이 효과를 완화하고 강화 내역을 완전히 제어하기 위해 강화된 시행(CS+ 시행)에는 CS와 US의 순방향 페어링이 포함되고 강화되지 않은 시행(-CS 시행)에는 US가 CS보다 먼저 제시되어 -CS에 대한 반응이 줄어드는 역방향 페어링이 포함되는 차별 조건 형성을 구현했습니다( Hellstern et al., 1998 ). -CS의 억제 학습(즉, CS 다음에 US가 나오지 않는다는 것을 학습하는 것, Hellstern et al., 1998 ) 을 유도하는 역방향 페어링을 사용한 것은  정확히 냄새 일반화를 줄이는 것을 목표로 했습니다.

각 실험은 피험자를 배기 시스템 앞 15cm에 놓고 15초 동안 적응시키는 것으로 시작했습니다.CS+ 실험에서는 CS를 US보다 먼저 제시했습니다(순방향 조건화): CS는 15초 지점에서 시작하여 2초 후에 US가 이어졌습니다.CS와 US는 모두 4초 동안 제시되었습니다.US는 설탕 용액에 담근 이쑤시개로 더듬이를 가볍게 만져서 전달했고, 벌은 코를 뻗은 후 2초 동안 먹이를 먹었습니다.이렇게 하면 CS와 US 사이에 2초의 겹침이 있는 2초의 자극 간 간격이 만들어졌습니다.–CS 실험에서는 US를 먼저 전달했고(역방향 조건화), 15초 지점에서 시작하여 2초 후에 CS가 이어졌습니다.두 자극 모두 4초 동안 지속되었고, 2초의 자극 간 간격과 겹침이 있었습니다.페어링 유형에 관계없이 각 실험은 30초 지점에서 끝났습니다.각 실험 후 벌은 휴식 자세로 돌아갔습니다. 각 실험마다 총 12마리의 벌이 훈련을 받았고, 실험 간 간격은 6분이었습니다.

테스트

각 조절 단계가 끝날 때마다 중간 유지 테스트를 실시하여 벌이 구별을 배웠는지 확인했습니다. 이 테스트는 벌이 CS+에 반응하는 것뿐만 아니라 –CS에 반응하지 않는 것도 배웠는지 여부를 확인했습니다. 이는 –CS 조절 시험 동안의 반응을 측정할 수 없었기 때문에 학습 곡선을 통해 평가할 수 없었습니다(위 참조). 이 테스트 동안 벌은 보상 없이 방금 완료한 단계의 두 가지 냄새를 맡았습니다. 5가지 조절 단계를 모두 완료한 후 벌은 추가로 5가지 최종 테스트를 거쳤으며, 강화 없이 무작위 순서로 훈련된 5가지 냄새(A, B, C, D, E)에 대해 테스트를 받았습니다. 중간 및 최종 테스트 동안 냄새 전달 기간과 자극 간 간격(테스트 간 간격)은 조절 시험과 동일했습니다.

반응 측정

CS+ 시도의 경우, CS가 시작된 후 US가 전달되기 전에 벌이 코를 쭉 뻗었는지 여부를 기록했으며, 이는 조건 반응으로 간주되었습니다. 단일 CS 동안의 여러 반응은 하나의 PER로 간주되었습니다. –CS 시도의 경우, 벌이 항상 CS 전에 제시된 US에 반응했기 때문에 CS에 대한 반응을 기록할 수 없었습니다. 이 경우 벌은 겹치는 –CS 동안에도 코를 계속 뻗었지만 이는 CS 반응으로 간주할 수 없습니다. 따라서 습득 곡선은 시도 전체에 걸친 CS+에 대한 반응의 변화만을 반영합니다. 각 실험이 끝날 때 모든 동물을 대상으로 US에 대한 코 뻗기 반사를 다시 검사했습니다. 반응하지 않은(<5%) 벌은 분석에서 제외되었습니다.

실험

실험 1

두 그룹의 벌( 그룹 I  및  그룹 II )은 다섯 가지 다른 후각 물질을 포함하는 네 가지 냄새 구별 시퀀스에 대해 훈련을 받았습니다. 각 구별 단계는 차등 조건화를 사용했으며, 조건 자극(CS+)과 비조건 자극(-CS)을 각각 6번씩 제시하여 총 48번의 시도가 이루어졌습니다( 표 1 ).