Like Humans – Scientists Discover That Rats Have an Imagination

Like Humans – Scientists Discover That Rats Have an Imagination

As  human  beings,  our  lives  are  intertwined  with  our  thoughts,  whether  we’re  contemplating  dinner  options  or  indulging  in  memories  of  our  recent  beach  getaway.

Interestingly,  scientists  at  HHMI’s  Janelia  Research  Campus  have  discovered  that  animals  also  have  an  imagination.

A  group  of  researchers  from  the  Lee  and  Harris  laboratories  devised  an  innovative  approach  that  fuses  virtual  reality  with  a  brain-machine  interface  to  explore  the  inner  thoughts  of  rats.

They  found  that,  like  humans,  animals  can  think  about  places  and  objects  that  aren’t  right  in  front  of  them,  using  their  thoughts  to  imagine  walking  to  a  location  or  moving  a  remote  object  to  a  specific  spot.

A  team  from  HHMI’s  Janelia  Research  Campus  has  developed  a  novel  system  combining  virtual  reality  and  a  brain-machine  interface  to  probe  the  rat’s  inner  thoughts.  The  rat  is  harnessed  in  the  VR  system.  As  the  rat  walks  on  a  spherical  treadmill,  its  movements  are  translated  on  the  360-degree  screen.  The  rat  is  rewarded  when  it  navigates  to  its  goal. 

Like  humans,  when  rodents  experience  places  and  events,  specific  neural  activity  patterns  are  activated  in  the  hippocampus,  an  area  of  the  brain  responsible  for  spatial  memory.  The  new  study  finds  rats  can  voluntarily  generate  these  same  activity  patterns  and  do  so  to  recall  remote  locations  distant  from  their  current  position.

“The  rat  can  indeed  activate  the  representation  of  places  in  the  environment  without  going  there,”  says  Chongxi  Lai,  a  postdoc  in  the  Harris  and  Lee  Labs  and  first  author  of  a  paper  describing  the  new  findings.  “Even  if  his  physical  body  is  fixed,  his  spatial  thoughts  can  go  to  a  very  remote  location.”

This  ability  to  imagine  locations  away  from  one’s  current  position  is  fundamental  to  remembering  past  events  and  imagining  possible  future  scenarios.  Therefore,  the  new  work  shows  that  animals,  like  humans,  possess  a  form  of  imagination,  according  to  the  study’s  authors.

At  the  same  time  that  the  rat  is  navigating  in  the  VR  arena,  the  BMI  system  records  the  rat’s  hippocampal  activity.  The  researchers  can  see  which  neurons  are  activated  when  the  rat  navigates  the  arena  to  reach  each  goal.  These  signals  provide  the  basis  for  a  real-time  hippocampal  BMI,  with  the  brain’s  hippocampal  activity  translated  into  actions  on  the  screen.

“To  imagine  is  one  of  the  remarkable  things  that  humans  can  do.  Now  we  have  found  that  animals  can  do  it  too,  and  we  found  a  way  to  study  it,”  says  Albert  Lee,  formerly  a  Group  Leader  at  Janelia  and  now  an  HHMI  Investigator  at  Beth  Israel  Deaconess  Medical  Center.

The  project  began  nine  years  ago  when  Lai  arrived  at  Janelia  as  a  graduate  student  with  an  idea  to  test  whether  an  animal  could  think.  His  advisor,  Janelia  Senior  Fellow  Tim  Harris,  suggested  Lai  walk  down  the  hall  to  chat  with  Lee,  whose  lab  had  similar  questions.

Together,  the  labs  worked  to  develop  a  system  to  understand  what  animals  are  thinking  –  a  real-time  “thought  detector”  that  could  measure  neural  activity  and  translate  what  it  meant.

Next,  the  researchers  disconnected  the  treadmill  and  reward  the  rat  for  reproducing  the  hippocampal  activity  pattern  associated  with  a  goal  location.  In  this  “Jumper”  task  –  named  after  a  2008  movie  of  the  same  name  —  the  BMI  translates  the  animal’s  brain  activity  into  motion  on  the  virtual  reality  screen.  Essentially,  the  animal  uses  its  thoughts  to  navigate  to  the  reward  by  first  thinking  about  where  they  need  to  go  to  get  the  reward.

The  system  uses  a  brain-machine  interface  (BMI),  which  provides  a  direct  connection  between  brain  activity  and  an  external  device.  In  the  team’s  system,  the  BMI  produces  a  connection  between  the  electrical  activity  in  the  rat’s  hippocampus  and  its  position  in  a  360-degree  virtual  reality  arena.

The  hippocampus  stores  mental  maps  of  the  world  involved  in  recalling  past  events  and  imagining  future  scenarios.  Memory  recall  involves  the  generation  of  specific  hippocampal  activity  patterns  related  to  places  and  events.  But  no  one  knew  whether  animals  could  voluntarily  control  this  activity.

The  BMI  allows  the  researchers  to  test  whether  a  rat  can  activate  hippocampal  activity  to  just  think  about  a  location  in  the  arena  without  physically  going  there  –  essentially,  detecting  if  the  animal  is  able  to imagine going  to  the  location.

A  new  brain-machine  interface  and  virtual  reality  system  for  rats.  In  this  experiment,  a  rat  uses  this  system  to  navigate  to  a  goal  solely  by  thinking  about  where  it  wants  to  go.  According  to  the  rules  of  this  system,  physical  movement  by  the  rat  does  not  affect  the  rat’s  location  in  the  virtual  environment.  Only  by  controlling  its  hippocampal  brain  activity  can  the  rat  control  where  it  goes.  Specifically,  in  this  system  the  animal  is  virtually  moved  toward  the  ‘decoded  location’  that  the  hippocampal  activity  represents.

Once  they  developed  their  system,  the  researchers  had  to  create  the  “thought  dictionary”  that  would  allow  them  to  decode  the  rat’s  brain  signals.  This  dictionary  compiles  what  activity  patterns  look  like  when  the  rat  experiences  something  –  in  this  case,  places  in  the  VR  arena.

The  rat  is  harnessed  in  the  VR  system,  designed  by  Shinsuke  Tanaka,  a  postdoc  in  the  Lee  Lab.  As  the  rat  walks  on  a  spherical  treadmill,  its  movements  are  translated  on  the  360-degree  screen.  The  rat  is  rewarded  when  it  navigates  to  its  goal.

At  the  same  time,  the  BMI  system  records  the  rat’s  hippocampal  activity.  The  researchers  can  see  which  neurons  are  activated  when  the  rat  navigates  the  arena  to  reach  each  goal.  These  signals  provide  the  basis  for  a  real-time  hippocampal  BMI,  with  the  brain’s  hippocampal  activity  translated  into  actions  on  the  screen.

Next,  the  researchers  disconnect  the  treadmill  and  reward  the  rat  for  reproducing  the  hippocampal  activity  pattern  associated  with  a  goal  location.   In  this  “Jumper”  task  –  named  after  a  2008  movie  of  the  same  name  —  the  BMI  translates  the  animal’s  brain  activity  into  motion  on  the  virtual  reality  screen.  Essentially,  the  animal  uses  its  thoughts  to  navigate  to  the  reward  by  first  thinking  about  where  they  need  to  go  to  get  the  reward.  This  thought  process  is  something  humans  experience  regularly.  For  example,  when  we’re  asked  to  pick  up  groceries  at  a  familiar  store,  we  might  imagine  the  locations  we  will  pass  along  the  way  before  we  ever  leave  the  house.

Normally,  hippocampal  brain  activity  is  like  a  GPS  that  reflects  one’s  current  location.  But,  using  a  new  brain-machine  interface  +  virtual  reality  system,  a  rat  can  control  its  hippocampal  activity  to  reflect  remote  locations  (‘decoded  locations’)  and  use  this  to  move  an  object  to  where  it  wants  the  object  to  go.  These  experiments  could  reveal  how  our  hippocampus  allows  us  to  recall  memories  of  places  we  have  visited  before  and  how  we  can  imagine  being  in  different  places.  This  work  could  also  lead  to  new  hippocampal-based  neuroprosthetic  devices.

In  the  second  task,  the  “Jedi”  task  –  a  nod  to Star  Wars –  the  rat  moves  an  object  to  a  location  by  thoughts  alone.  The  rat  is  fixed  in  a  virtual  place  but  “moves”  an  object  to  a  goal  in  the  VR  space  by  controlling  its  hippocampal  activity,  like  how  a  person  sitting  in  their  office  might  imagine  taking  a  cup  next  to  the  coffee  machine  and  filling  it  with  coffee.  The  researchers  then  changed  the  location  of  the  goal,  requiring  the  animal  to  produce  activity  patterns  associated  with  the  new  location.

The  team  found  that  rats  can  precisely  and  flexibly  control  their  hippocampal  activity,  in  the  same  way  humans  likely  do.  The  animals  are  also  able  to  sustain  this  hippocampal  activity,  holding  their  thoughts  on  a  given  location  for  many  seconds  —  a  timeframe  similar  to  the  one  at  which  humans  relive  past  events  or  imagine  new  scenarios.

“The  stunning  thing  is  how  rats  learn  to  think  about  that  place,  and  no  other  place,  for  a  very  long  period  of  time,  based  on  our,  perhaps  naïve,  notion  of  the  attention  span  of  a  rat,”  Harris  says.

The  research  also  shows  that  BMI  can  be  used  to  probe  hippocampal  activity,  providing  a  novel  system  for  studying  this  important  brain  region.  Because  BMI  is  increasingly  used  in  prosthetics,  this  new  work  also  opens  up  the  possibility  of  designing  novel  prosthetic  devices  based  on  the  same  principles,  according  to  the  authors.

Reference:  “Volitional  activation  of  remote  place  representations  with  a  hippocampal  brain–machine  interface”  by  Chongxi  Lai,  Shinsuke  Tanaka,  Timothy  D.  Harris  and  Albert  K.  Lee,  2  November  2023, Science.

Cre: 4English