Статистическое обучение является основным способом обнаружения закономерностей в поступающей сенсорной информации у позвоночных [1, 2]. Способность извлекать закономерности из последовательностей (звуков, объектов, запахов и т.д.) [3] позволяет видам предсказывать будущие события и управлять поведением. Эта способность была продемонстрирована у младенцев человека [4], приматов [5] и птиц [6]. Однако неизвестно минимальное эволюционное развитие нервной системы, необходимое для статистического обучения. Чтобы отчасти решить эту проблему, авторы изучили статистическое обучение у медоносной пчелы (Apis mellifera) – популярной модели для исследований обучения у беспозвоночных [7].

Используя рефлекс вытягивания хоботка (PER), авторы обучили пчел различать последовательности двух ароматических веществ, A и B, представленных в противоположных порядках: AB против BA или наоборот (рис. 1A). Условная последовательность (AB или ВА) была сопряжена с подачей сахарного сиропа, в то время как обратная последовательность (BA или АВ) не вознаграждалась. Для контроля рефлексов, связанных с запахом, AB и BA чередовались в качестве вознаграждаемой последовательности. Кроме того, в качестве A и B использовались два набора ароматических веществ: 2-гексанол и нонаналь (n = 223 пчелы) и 1-гексанол и 2-нонанол (n = 202 пчелы), выбранные на основе их перцептивных различий для пчел.

Пчелы различали последовательности обоих наборов ароматических веществ, начиная с третьего тренировочного испытания (рис. 1B). Различение улучшалось по мере прохождения испытаний, что указывает на прогрессивное обучение. Поскольку оба ароматических вещества предсказывали наличие или отсутствие пищевого вознаграждения, распознавание правильной последовательности должно было зависеть от относительного положения этих веществ. Через час пчелы были разделены на четыре группы для проведения тестов запоминания, чтобы исследовать предполагаемое статистическое обучение.

Пчелам группы 1 были представлены прямые и обратные последовательности ароматических веществ (т. е. AB и BA), и они показали успешное распознавание (тест МакНемара, n=79, p=9,1×10⁻⁹; рис. 1C). Это указывает на то, что ранее полученная информация о последовательностях ароматических веществ сохранялась в течение как минимум одного часа.

Пчелы группы 2 были протестированы с отдельными ароматическими веществами (т. е. только A или B), чтобы оценить, запоминали ли они целые последовательности или же они фокусировались на каждом отдельном ароматическом веществе. Пчелы показали значительно более высокую вероятность рефлекса вытягивания хоботка для второго ароматического вещества ранее вознагражденной последовательности (n=98, p=1,1×10⁻⁸; рис. 1C). Это говорит о том, что в дополнение к различению последовательностей ароматических веществ на основе их относительного положения, пчелы значительно сильнее реагировали на второй элемент, присваивая ему больший вес из-за его близости к вознаграждению в половине испытаний.

Пчелы группы 3 были протестированы с новыми комбинациями, в которых второе ароматическое вещество было заменено новым, нейтральным ароматическим веществом C, хорошо воспринимаемым пчелами (т. е. AB→AC; BA→BC). Пчелы, обученные с первым набором ароматических веществ (2-гексанол/нонаналь), получили 2-октанол в качестве нового ароматического вещества C, в то время как пчелы, обученные со вторым набором (1-гексанол/2-нонанол), получили 2-гексанон. Эта манипуляция была направлена на то, чтобы проверить, приобрело ли первое ароматическое вещество предсказательную ценность, что привело к более высокой вероятности рефлекса вытягивания хоботка к C в AC, но не в BC. Однако пчелы значительно сильнее реагировали на BC, который включал B, ароматическое вещество, соседствующее с вознаграждением во время обучения (n=88, p=`2.0×10⁻⁷; рис. 1C).

Пчелы группы 4 были протестированы с двумя последовательностями из трех ароматических веществ, где новое ароматическое вещество C было добавлено вначале вознагражденных и невознагражденных последовательностей (т. е. CAB и CBA соответственно). Этот тест оценивал, служила ли позиционная информация об ароматических веществах подсказкой для извлечения памяти. Во время дифференциального обусловливания с AB и BA, B вознаграждался, когда он появлялся во второй позиции. Если позиционная информация была критической, пчелы должны были показывать более высокую вероятность рефлекса вытягивания хоботка для CBA, где B оставался во второй позиции. И наоборот, если пчелы полагались на всю структуру обусловленной последовательности, они должны были отдавать предпочтение CAB, которая включает AB (вознагражденная последовательность). Пчелы, обусловленные AB, значительно сильнее реагировали на CAB, чем на CBA (n=78, p=3,6×10⁻⁶), что указывает на то, что они кодировали всю последовательность AB, а не только положение отдельных ароматических веществ (рис. 1C).

Все тесты на память записывались на видео и анализировались для отслеживания динамики рефлекса вытягивания хоботка во время обонятельной стимуляции (рис. 1D). Средняя вероятность ответа у пчел была выше, когда появлялся второй элемент вознагражденной последовательности (т.е. B), что позволяет предположить, что пчелы полагались на него как на основной сигнал во время тестирования. Тем не менее, пчелы в группе 3, протестированные с AC и BC, значительно увеличили свою реакцию на новое ароматическое вещество C, когда оно следовало за A (n=58, p=0,021), но уменьшили ее, когда оно следовало за B (n=53, p=0,021). Этот результат указывает на то, что A приобрел предсказательную ценность. Примечательно, что повышенная реакция не возникала после воздействия только A (рис. 1D, группа 2) и не была вызвана только C, как показано низкой реакцией на C при предъявлении в начале последовательности (рис. 1D, группа 4).

Результаты показывают, что пчелы могут кодировать временные отношения между последовательно организованными ароматическими веществами и использовать эту информацию для управления своим поведением. Они вспоминают последовательность вознаграждаемых запахов, как отдельно, так и в составе более сложного обонятельного контекста (например, трехэлементной последовательности). Кроме того, они придают большее значение ароматическому веществу, ближайшему к вознаграждению. Наконец, повышенная реакция на нейтральное ароматическое вещество после первой вознаграждаемой последовательности (рис. 1D, группа 3) подчеркивает чувствительность пчел к временной структуре обонятельного стимула. Эта способность может помогать пчелам в пространственной ориентации и поиске пищи, сигнализируя о близости ориентиров или источников пищи, что дает эволюционное преимущество для навигации в сложных обонятельных средах. Таким образом, пчелы запоминают временную структуру последовательностей пахучих веществ, что позволяет предположить, что статистическое обучение является фундаментальным компонентом консервативного когнитивного механизма, присутствующего даже у беспозвоночных.

Рисунок 1. Обучение последовательностям и тестирование памяти медоносных пчел.

(A) Схема протокола дифференциального обусловливания: шесть предъявлений последовательности (AB), за каждым из которых следовало трехсекундное вознаграждение сахарозой с односекундным перекрытием со вторым элементом последовательности, и шесть воздействий невознагражденной обратной последовательности (BA). Через час после последнего испытания обучения пчел разделили на четыре группы и подвергли различным тестам на сохранение памяти. US – безусловный стимул.

(B) Кривая обучения при дифференциальном обусловливании (n=425). Данные представляют собой процент пчел, показывающих рефлекс вытягивания хоботка во время десятисекундного предъявления последовательности запахов, с 95% доверительными интервалами. Анализ показывает значительное различие в ответе с третьего испытания (T3) и далее (×, p∼0).

(C) Каждая пчела прошла два теста памяти, чтобы оценить значимость различных характеристик условного стимула для воспоминания. Данные представляют собой процент пчел, показывающих рефлекс вытягивания хоботка во время тестовой последовательности, с 95% доверительными интервалами. Количество особей (n) и p-значения из теста МакНемара, сравнивающие показатели реакции на тестируемые стимулы, отображаются над каждым графиком.

(D) Тесты памяти записывались на видео, и вытягивание хоботка отслеживалось для количественной оценки динамики реакции во время обонятельной стимуляции. Различия в вероятностях реакций хоботка [ в %] на различные стимулы в пределах каждого варианта проверялись с помощью знакового рангового теста Вилкоксона. P-значения, скорректированные с учетом частоты ложных срабатываний, показаны над каждым графиком.

Список литературы

• Frost, R. et al. Statistical learning research: A critical review and possible new directions. Psychol. Bull. 145, 1128–1153 (2019).
• Santolin, C. et al. Constraints on Statistical Learning Across Species. Trends Cogn. Sci. 22, 52-63 (2018).
• Petkov, C. I. et al. Structured Sequence Learning: Animal Abilities, Cognitive Operations, and Language Evolution. Top. Cogn. Sci. 12, 828–842 (2020).
• Bulf, H. et al. Visual statistical learning in the newborn infant. Cognition 121, 127–132 (2011).
• Malassis, R. et al. Extraction of structural regularities by baboons 121 (Papio Papio): Adjacent and nonadjacent repetition patterns differ in learnability. J. Comp. Psychol. 135, 51 (2021).
• Santolin, C. et al. Unsupervised statistical learning in newly hatched chicks. Curr. Biol. CB 26, R1218–R1220 (2016).
• Menzel, R. The honeybee as a model for understanding the basis of cognition. Nat. Rev. Neurosci. 13, 758–768 (2012).

Новость подготовил
Богуславский Дмитрий Викторович, старший научный сотрудник лаборатории нейробиологии развития ИБР РАН, кандидат биологических наук.
11.06.2025