イノベーションアリーナは、動物の時間単位あたりの技術革新率を研究するための新しい比較方法です。これは、同時に提示される20の異なる問題解決タスクで構成されています。イノベーションは自由に行うことができ、セットアップは個人、集団、または種レベルでの素因に関して堅牢です。
問題解決タスクは、技術的で革新的な行動を調査するために一般的に使用されますが、幅広い種にわたってこの能力を比較することは困難な作業です。種の形態学的ツールキットや探査技術などの特定の素因は、そのようなタスクのパフォーマンスに実質的に影響する可能性があり、直接的な比較を困難にします。ここで提示された方法は、そのような種固有の違いに関してより堅牢であるように開発されました:イノベーションアリーナは20の異なる問題解決タスクを提示します。すべてのタスクが同時に表示されます。被験者は装置に繰り返し直面し、時間の経過とともに革新の出現を測定することができます – 動物が革新的な行動を通して変化する環境条件にどのように適応できるかを調査するための重要な次のステップ。
各個体は、解決策の発見が止まるまで装置で試験された。テストが終了した後、ビデオ録画を分析し、報酬の正常な取得と複数の機器主導の行動をコード化しました。後者は主成分分析を使用して分析され、得られた成分はセッション番号および目的のグループ比較とともに一般化線型混合モデルに含まれ、成功の確率が予測された。
我々は、このアプローチを最初の研究で使用して、長期的な飼育が、その革新的な行動で知られるオウム種、すなわちゴフィンのオウムの問題解決能力に影響を与えるかどうかという問題を標的にした。モチベーションの程度には効果が認められたが、短期囚われの身のグループと長期の問題解決能力に差はなかった。
大きなおっぱい(Parus major)は牛乳瓶に直面しますが、瓶がアルミホイルで閉じられているため、牛乳に直接アクセスすることはできません。それはクリームを飲むことができるようにホイルをつつくことによってこの問題の解決策を見つけます。この状況は、動物イノベーションの最も広く知られている例の1つを説明しています1。
このような問題を解決することは、特に頻繁に変更される可能性のある環境では有利です。Kummer と Goodall2 は、イノベーションを「新しい問題に対する解決策、または古い問題に対する新しい解決策」を見つけることと広く定義しています。Tebbichら3 は、イノベーションのより詳細な定義を、「社会的または物理的環境との新しい行動的相互作用の発見、既存の機会の活用および/または新しい機会の創出」として仮定した。
自発的なイノベーションを目撃するには、徹底的で時間のかかる観察が必要であり、多種多様な種を含む枠組みでは実現不可能なことがよくあります。この課題に対処するために、研究者はイノベーション率4,5を推定するために厳格な文献レビューを実施し、イノベーション傾向と神経学的尺度6,7,8および摂食生態学9,10,11などの他の要因との相関関係を明らかにしました。.しかし、実験的なテストは、制御された環境で革新的な動作を引き出すことができます。このため、技術的な問題解決タスクにおけるパフォーマンスは、動物の革新的な能力の代理としてよく使用されます(12のレビューを参照)。
革新的な問題解決を調査するために、さまざまな異なるアプローチが使用されてきました:例えば、動物の異なるグループは、特定のタスクにおける彼らのパフォーマンスによって比較することができます。このような研究は、典型的には、特定の革新または認知能力(例えば、フック曲げ行動;13、14、15参照)を標的としている。これにより、研究者は特定のコンテキスト内で詳細な情報を得ることができますが、類似点や相違点の解釈はタスクの性質によって制限され、異なるグループとは異なる革新的な強みが必要になる可能性があります(13,14で議論されているように)。
他の研究は、一連の連続したタスク16,17を実装している。複数のタスクのパフォーマンスを比較し、特定のドメイン内の全体的な能力の推定は、この方法によって可能になります。しかし、そのような研究の限界は、異なるタスクの連続したプレゼンテーションにあり、時間の経過とともにイノベーションの出現の調査は許されません。
さらに別のアプローチは、単一の報酬にアクセスするための異なるオプションを同時に提供することです。これは、マルチアクセスボックス(MAB)18,19,20,21,22,23,24,25,26を使用して頻繁に達成され、1つの報酬がパズルボックスの中央に配置され、4つの異なるソリューションを介して取得可能である。同じ解決策が一貫して使用されると、それはブロックされ、動物は報酬にアクセスするために別の解決策に切り替える必要があります。このような実験を通じて、種間および種内の選好を検出して説明することができるが、それでもなお、革新的な行動の発現を試行ごとに1つの解決策に制限する18、19、20、21。他の研究では、動物には複数の溶液を同時に含む装置も提示されており、それぞれに別々の報酬があります。これにより、1回の試行で複数のイノベーションが可能になりますが、これまでのところ、タスクは主にいくつかのモーター的に異なるソリューションに限定されていました。それがこれらの研究の焦点ではなかったことを考えると、実験セットアップは装置への反復暴露を伴わず、時間単位27、28、29あたりの革新率の尺度を可能にするであろう。
ここでは、他のアプローチに加えて、革新的な問題解決能力において異なる種を比較することを目的として私たちを助けるかもしれない方法を提示します。私たちは、グループや種ごとに難易度が異なることが予想される1つのセットアップで、より広い範囲のタスクを開発しました。したがって、タスク固有の格差が解を見つける全体的な確率に影響を与える可能性は低くなります。さらに、すべてのタスクを同時に繰り返し提示して、時間の経過に伴うイノベーションの出現を測定します。この尺度は、革新的な行動の適応価値に関する私たちの理解を深める可能性を秘めています。
この方法を用いた最初の研究では、技術的革新性のための鳥類モデル種であるゴフィンのオウム(Cacatua goffiniana;以下:Goffins)の問題解決能力(いわゆる捕われの身効果によって示唆されるように、30参照)が長期的な捕われの身が問題解決能力(いわゆる捕われの身効果によって示唆されるように;30参照)に影響を与えるかどうかを調査した。
イノベーションアリーナは、革新的で技術的な問題解決をテストするための新しいプロトコルです。イノベーションアリーナのタスクを設計する際には、種の形態学的制約の範囲(例えば、くちばし、鼻、足、爪、または手の使用)を考えると、タスクは解決可能であるべきであると慎重に考えました。既に試験されている種と将来試験される種との間のより広範な比較可能性を可能にするため、我々は、それぞれのモデルで実現可能であれば、これらのタスクの使用を奨励する。しかし、いくつかのタスクは、種の特定の形態学的限界に合わせて調整する必要があるかもしれないことを認識しています。最も重要なのは、タスクは被験者にとって斬新である必要があり、新しい代替設計が必要になる可能性があることです。イノベーションアリーナの利点の1つは、さまざまなタスクの数が多いため、将来の研究でいくつかのタスクを調整または変更する必要がある場合でも、比較が引き続き可能で有益であることです。
研究を計画する際には、事前試験段階(例えば、装置の設計および構築)にかなりの時間を必要とする可能性があることを考慮すべきである。また、被験者を装置に充分に馴化させることが重要である。異なる基は、それらの探索的アプローチおよびネオティック反応において実質的に異なる可能性がある40、41、42。ネオフォビア反応の排除(または減少)は、比較をより信頼できるものにし、動機付けの役割を特定することを可能にする。時間の経過とともにイノベーションの個々の出現を測定し、社会的学習を避けるためには、被験者が繰り返し個別にテストされることが重要であり、現場では困難な場合があります。多くの種にとって、野生の捕獲された被験者は、新しい環境、人間の存在、相互作用に慣れ、作業分離手順を開発するために長い時間を必要とするでしょう。さらに、セッションごとの各個人のランダム化スケジュールを厳密に遵守することは現実的に不可能かもしれません。私たちの研究の長期捕獲されたオウムは、個人名で呼ばれたときにテストコンパートメントに入るように訓練されていましたが、どの個人がフィールドでテストルームに入るかについては、より日和見的である必要がありました。モチベーションのレベルとは別に、イノベーションアリーナを使用した比較研究の結果に影響を与える可能性のある別の要因に遭遇しました。餌の好みと食物の入手可能性のために、私たちは2つのグループに異なる報酬タイプを使用し、実験鳥と比較して野生のオウムの餌やり時間を長くしました。これらの違いを説明するには、個人がアリーナに直面した合計時間に摂食時間(3秒を超えた場合)を追加しました。このプロトコルは、アリーナと対話する時間が摂食時間のために1つのグループで短縮されないことを確実にしました。今後の研究では、この潜在的な問題を考慮する必要があり、すでに慣れの段階にあるこのプロトコルを実装することを目指すかもしれません。
この方法の強さおよび新規性は、より多様なタスクの組み合わせ、これらのタスクの同時提示、装置との遭遇ごとの複数の報酬、および各被験者の装置への反復暴露を含む。
さらに、個人は新しいタスクを解決しなくなるまでテストされます。固定数のセッションとは対照的に、このソリューション発見の最大(または漸近的レベル)は、セッションごとに解決されたタスクの数とともに、変化する環境へのグループの潜在的な適応について有益であり得る。
代替方法の一例は、マルチアクセスボックス(MAB)であり、そこでは、4つの異なる解決策を通してタスクを解決することが可能であるが、装置18 との遭遇ごとに1つの報酬しか取り出すことができず、したがって、経時的な革新率の推定は著しく制限される。さらに、種固有の単一のタスクの困難さは、認知能力に関するパフォーマンスの比較に強く影響する可能性があります。我々の知る限り、運動的に異なる解決策を伴うタスクの同時提示は、以前の研究では最大6つのタスクに制限されていた(Federspiel、mynah birdsの6ウェイMAB、これまでのところ未発表のデータ)。MABは探査技術を明らかにするのに非常に便利なツールですが、イノベーションアリーナはそれ自体を革新する能力の比較に適していると考えています。難易度も異なるより広い範囲のタスクは、全体的な技術的問題解決能力29についてより有益であり得る。
私たちの最初の研究では、同じ種の2つのグループ、ゴフィンのオウムを比較することに成功しましたが、これは彼らの経験が大きく異なっていました。この比較では、長期の捕われが問題解決能力に影響を与えるかどうかという問題を特にターゲットにしました。以前の研究では、長期の飼育下生活様式がこれらの能力を高めることが示唆されているが(30,43参照)、制御された実験的アプローチによる直接比較はまれであった(しかし、44,45参照)。イノベーションアリーナを使用することで、私たちはこの質問をターゲットにすることができ、ゴフィンズが新しい解決策を見つけるための全体的な能力に対する捕われの身の影響を支持することはなく、むしろ動機付けのレベル32への影響を見つけました。
さらに、イノベーションアリーナは、革新的な問題解決のさまざまな側面に焦点を当てた質問に対処するために使用できます。さらなるステップには、発散と収束の影響を対象とする調査が含まれる可能性があります。例えば、生態学が異なる近縁種(例えば、島嶼種対非島嶼種)だけでなく、オウムやコルビッドの代表種、または鳥類や霊長類種など、これまで個々の物理的問題解決において同様の性能を示した遠縁種との比較46。イノベーションアリーナは、遠く離れた種であっても、多くの異なる種を比較するために開発されました。
そうは言っても、この方法は個人間差を調査するためにも非常にうまく使用できます。たとえば、パーソナリティスコアを予測変数として使用して、イノベーション率への影響を推定することができます。提示された方法は、動物と人間のイノベーションを研究する研究グループ、および/または異なる種の研究を専門とする研究室によって共同で使用できると考えています。
The authors have nothing to disclose.
このビデオの制作に協力してくれたStefan SchierhuberとDavid Lang、技術的な図面の協力をしてくれたChristoph Rössler、そしてこの原稿の校正に協力してくれたPoppy Lambertに感謝します。この出版物はオーストリア科学基金(FWF;STARTプロジェクトY01309がA.A.に授与されました)。発表された研究は、オーストリア科学基金(FWF、A.A.に授与されたプロジェクトP29075およびP29083およびM.O.に授与されたプロジェクトJ 4169-B29)およびウィーン科学技術基金(WWTF、A.A.に授与されたプロジェクトCS18-023)によって資金提供されました。
wooden platform | Dimensions: woodensemicircle, radius approx. 1.5m | ||
FIXATION SYSTEM | |||
5 x metal nut | Dimensions: M8 | ||
5 x rod | (possibly with U-profile) | ||
5 x threaded rod | Dimensions: M8; length: 25cm | ||
5 x wing nut | Dimensions: M8 | ||
PUZZLE BOXES WITHOUT FUNCTION PARTS | |||
20 x acrylic glass back | Dimensions: 17cm x 17.5cm x 0.5cm | ||
20 x acrylic glass base | 4 holes for screws roughly; 2cm from each side Dimensions: trapezoid : 17.5cm (back) x 15cm (front) x 15cm (sides); 1cm thick |
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20 x acrylic glass front | acrylic glass fronts need to be cut differently for each puzzle box (see drawing) Dimensions: 17cm x 15cm x 0.5cm |
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20 x acrylic glass lid | cut out 0.5cm at the edges for better fit Dimensions: trapezoid shape: 18.5cm x 16cm x 16cm x 1cm (thick) |
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40 x acrylic glass side | Dimensions: 17cm x 16cm x 0.5cm | ||
80 x small screw | to attach bases to the platform (4 screws per base) | ||
PARTS FOR EACH MECHANSIM PER TASK | |||
to assemble the parts use technical drawing InnovationArena.3dm | can be loaded e.g. in 3dviewer.net, which is a free and open source 3D model viewer. github repository: https://github.com/kovacsv/Online3DViewer; please contact authors if you are in need of a different format | ||
TASK TWIST | |||
5x small nuts | to attach glass (punch holes) and acrylic glass cube to threaded rod | ||
acrylic glass | Dimensions: 2cm x 2cm x 1cm | ||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
plastic shot glass | Dimensions: height: 5cm; rim diameter: 4.5cm; base diameter: 3cm | ||
thin threaded rod | Dimensions: length: approx. 10cm | ||
TASK BUTTON | |||
2x nut | attach to rod; glue outer nut to rod Dimensions: M8 |
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acrylic glass | V-cut to facilitate sliding of rod Dimensions: 4cm x 3cm x 1cm (0.5cm V-cut in the middle ) |
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cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
threaded rod | Dimensions: M8, length: 5cm | ||
TASK SHELF | |||
acrylic glass top | Dimensions: 5cm x 4cm x 0.3cm | ||
acrylic glass lower | Dimensions: 5cm x 4cm x 1cm | ||
acrylic glass side 1 | Dimensions: 4cm x 3cm x 0.5cm | ||
acrylic glass side 2 | Dimensions: 4.5cm x 3cm x 0.5cm | ||
thin plastic bucket | on side cut off to fit Dimensions: diameter: approx. 4.5 cm; height: 1cm |
||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
TASK SLIT | room to reach in: 2cm in height | ||
– | recommended: add small plastic barrier behind reward so it cannot be pushed further into the box | ||
TASK CLIP | |||
2x acrylic glass | Dimensions: 1cm x 1cm x 2cm | ||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
peg | Dimensions: length: approx. 6 cm | ||
thin threaded rod | Dimensions: length: approx. 6 cm | ||
TASK MILL | |||
2x arylic glass triangle | Dimensions: 10cm x 7.5cm x 7.5cm; thickness: 1cm | ||
2x plastic disc | Dimensions: diameter: 12cm | ||
4x small nut | for attachment | ||
7x acrylic glass | Dimensions: 4.5cm x 2cm, 0.5cm | ||
acrylic glass long | position the mill with longer acrylic glass touching lower half of the front (this way the mill can only turn in one direction) Dimensions: 6.5cm x 2cm, 0.5cm |
||
thin threaded rod | Dimensions: length: approx. 4cm | ||
wooden cylinder | Dimensions: diameter: 2cm | ||
TASK SWISH | |||
2x acrylic glass | Dimensions: 2cm x 1cm x 1cm | ||
4x small nut | for attachment | ||
acrylic glass | Dimensions: 10cm x 2cm x 1cm | ||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
thin threaded rod | Dimensions: length: approx. 7cm | ||
wooden cylinder | Dimensions: diameter: 2cm, cut-off slantwise; longest part: 7cm, shortest part: 5cm | ||
TASK SHOVEL | |||
acrylic glass | Dimensions: 20cm x 2cm x 1cm | ||
acrylic glass | Dimensions: 7.5cm x 2cm x 1cm | ||
acrylic glass | Dimensions: 5cm x 1cm x 1cm | ||
small hinge | |||
TASK SWING | |||
4x nut | Dimensions: M8 | ||
acrylic glass | Dimensions: 7.5cm x 5cm x 1cm | ||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
cord strings | Dimensions: 2x approx. 11cm | ||
thin bent plastic | bucket to hold reward; positioned on slant | ||
threaded rod | Dimensions: M8; length: 7cm | ||
TASK SEESAW | |||
2x acrylic glass | Dimensions: 10cm x 1.5cm x 0.5cm | ||
2x acrylic glass | Dimensions: 4cm x 1.5cm x 0.5cm | ||
acrylic glass | Dimensions: 10cm x 3cm x 0.5cm | ||
acrylic glass | Dimensions: 4cm x 1.5cm x 1cm | ||
small hinge | |||
TASK PLANK | |||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
thin tin | bent approx. 1cm inside box Dimensions: 6.5cm x 3cm |
||
TASK CUP | |||
plastic shot glass | Dimensions: height: 5cm; rim diameter: 4.5; base diameter: 3cm | ||
TASK FLIP-BOX | |||
2x acrylic glass triangle | Dimensions: 7cm x 5cm x 5cm; thickness: 0.5cm | ||
2x acrylic glass | Dimensions: 4.5cm x 5cm x 0.5cm | ||
2x acrylic glass | Dimensions: 7cm x 1cm x 1cm | ||
small hinge | |||
TASK SLIDE | |||
4x acrylic glass | Dimensions: 15cm x 1cm x 0.5cm | ||
acrylic glass door | Dimensions: 6cm x 6cm x 0.5cm | ||
TASK DJ | |||
2x small nut | for attachment | ||
acrylic glass | same as box bases Dimensions: trapezoid : 17.5cm (back) x 15cm (front) x 15cm (sides); 1cm thick |
||
plastic disc | Dimensions: diameter 12cm | ||
thin threaded rod | Dimensions: length: approx. 3cm | ||
TASK WIRE | |||
acrylic glass | Dimensions: 9.5cm x 9.5cm x 0.5cm | ||
acrylic glass | Dimensions: 12cm x 2cm x 1cm | ||
2x small hinge | |||
wire from a paperclip | |||
TASK TWIG | |||
2x small hinge | |||
acrylic glass | Dimensions: 5cm x 1cm | ||
cardboard slant | Dimensions: trapezoid: 17.5cm (back) x 15cm (front) x 17cm (sides) | ||
white cardboard | Dimensions: 13cm x 4cm | ||
Y-shaped twig | Dimensions: length: approx. 14cm | ||
TASK COVER | |||
acrylic glass | same as box bases Dimensions: trapezoid : 17.5cm (back) x 15cm (front) x 15cm (sides); 1cm thick |
||
thin plastic | Dimensions: diameter: 5cm | ||
TASK BITE | recommended: put tape on sides of platform the keep reward from falling off | ||
2-3 paper clips | |||
2x cutouts from clipboard | Dimensions: 10cm x 3cm | ||
acrylic glass | hole in middle Dimensions: 5cm x 3cm x 1cm |
||
toilet paper | |||
TASK DRAWER | |||
2x acrylic glass | Dimensions: 5cm x 2.5cm x 0.5cm | ||
2x acrylic glass | Dimensions: 4cm x 3cm x 1cm | ||
acrylic glass | hole approx. 2 cm from front Dimensions: 5cm x 5cm x 1cm |
||
OTHER MATERIAL | |||
wide-angle videocamera |