Marsvin i dansk lytteeksperiment

Marsvinet Eigil dukker op af vandet. Dykker ned igen og kommer så atter op til overfladen og kigger. Han venter utålmodigt på at komme i gang.

Hans træner, biolog Jakob Højer Kristensen, og ph.d.-studerende Meike Linnenschmidt fra Syddansk Universitet er ved at gøre klar til et forsøg, og Eigil vil åbenlyst gerne i gang.

Det er der nu en god grund til – alle opgaver, som løses rigtigt, bliver belønnet med en fisk. Og Eigil er meget glad for fisk.

Vi befinder os på Fjord&Bælt-centret i Kerteminde, hvor der den seneste uge har været omkring 40 forskere fra hele verden samlet på en workshop, finansieret af Forskningsrådet, for at diskutere ekkolokalisering.

Jakob og Meike skal i den forbindelse demonstrere et høre-eksperiment med Eigil for alle deltagerne på workshoppen.

Marsvin ser med lyd

Eigil skal forsøge at bruge sin ekkolokalisering til at ‘se’, om der er en metalcylinder sænket ned i vandet foran ham.

Han kan ikke bruge sit syn, da en låge beklædt med sort plastik blokerer hans udsyn. Derudover er der også en låge af neopren, som sørger for, at han ikke tyvstarter sin ekkolokalisering. Neopren er et syntetisk gummimateriale, der er fyldt med luftbobler. Det bruges blandt andet til våddragter.

Luften i materialet danner store ekkoer og derfor dæmpes lyden, så Eigil ikke kan høre, hvad der er bag lågen.

Rigtige svar giver fisk

Når Eigil står nede i ringen og lågen går op, er det tegn til at gå i gang.

Hvis cylinderen er der, skal han give tegn ved at svømme op og trykke på en svarknap. Det kaldes et go. Hvis den ikke er der, skal han blive stående i ringen, indtil Jakob fløjter, og så svømme op. Det kaldes et no-go.

Begge er rigtige svar, som belønnes med en fisk. Hvis han løser opgaven forkert, får han ingen fisk, men ellers er der ingen konsekvenser.

Det er en metode, der kendes som positiv forstærkning, fordi dyret opmuntres til at løse opgaven rigtigt, men ikke straffes hvis det mislykkes. Se en undervandsvideo af forsøget her:

Som man kan se på videoen, tager Eigil også fejl ind imellem. Det giver alt i alt fire svarmuligheder

Go: Cylinderen er der, og Eigil siger den er der. Det ses i andet og fjerde forsøg. No-go: Cylinderen er der ikke, hvilket Eigil viser ved at blive stående. Det ses i første forsøg. Miss: Cylinderen er der, men Eigil bliver stående. Det ser man i videoens tredje forsøg. Falsk alarm: Cylinderen er der ikke, men Eigil reagerer alligevel og trykker på svarknappen. Vises ikke i videoen.

Siden videoen er blevet optaget, er cylinderen blevet rykket enten 2, 4 eller 8 meter væk fra lågen og placeres nu i vandet, inden lågen åbnes.

Aflurer marsvinets hørelse

I demonstrationen på workshoppen placerede forskerne derudover også to sugekop-elektroder på ryggen af Eigil. De måler det elektriske potentiale i Eigils hjerne, mens han løser opgaverne – dvs. de måler på hans overordnede aktivitet i hjernestammen.

»Lyden kommer ind i øret, hvor den bearbejdes, inden den oversættes til et elektrisk signal i hjernen, som vi kan måle på kroppens overflade. På den måde kan vi se, hvordan hjerneaktiviteten ser ud, når han ekkolokaliserer,« forklarer Meike Linnenschmidt.

Det tager omkring 2 til 4 millisekunder, fra lyden rammer ørerne, til man kan se aktiviteten i hjernen.

Ved hjælp af elektroderne kan forskerne derfor lytte med inde i Eigils hoved.

Når han afsender sine klik, kan de se det, og når han hører ekkoerne fra cylinderen, kan de ligeledes se det på hjerneaktiviteten. Derfor kan de også se, hvad der sker, når han laver fejl. Om han f.eks. rent faktisk hører ekkoet, selvom han ikke reagerer, når han laver et miss. Eller om der foregår en aktivitet i hjernen på ham, når han laver en falsk alarm.

Forskere bifalder fejl

I demonstrationen for workshopdeltagerne lavede Meike Linnenschmidt og Jakob Kristensen 12 forsøg med Eigil. Af dem var 10 rigtige og henholdsvis et miss og en falsk alarm.

Generelt er Eigil rigtig god til at høre, om cylindrene er der eller ej.

»Eigil laver kun ganske få fejl. Han får omkring 90% rigtigt,« fortæller Meike Linnenschmidt.

En af verdens førende eksperter inden for ekkolokalisering, Paul Nachtigall, som er direktør for Marine Mammal Research Program på Hawai’i Institute of Marine Biology, er med på sidelinjen til forsøget. Da Eigil under demonstrationen laver et miss, giver både han og Meike Linnenschmidt sig til at juble.

Eigil er et velafbalanceret marsvin

Det virker umiddelbart mærkværdigt at glæde sig over en fejl, men det skyldes at næsten alle Eigils fejl normalt er falske alarmer.

»Dyret bliver påvirket af, at han får belønning, hver gang han løser opgaven. Når Eigil får belønning, hver gang han siger, ‘jeg ser cylinderen’, så vil han være mere ivrig efter at fortælle dig, han så den. Også selvom den ikke er der,« forklarer Paul Nachtigall.

Til gengæld laver Eigil kun meget sjældent et miss. Men det er vigtigt for forskerne at have et dyr, der laver begge slags fejl og ikke kun den ene. Det giver nemlig et balanceret dyr.

»Der ligger megen interessant information i fejlene, så hvis du kun får en slags fejl, mangler du noget information,« siger Paul Nachtigall.

»Der vil altid være fejl. Når der er en balance i dem, er det et tegn på, at det går godt med ham.«

Ingen aktivitet trods reaktion

Med hjælp fra postdoc Kristian Beedholm fra Aarhus Universitet er input fra elektroderne blevet bearbejdet, så Meike Linnenschmidt kan se, hvad der sker, både når Eigil løser opgaven rigtigt og når han laver fejl.

Det viser sig, at hjerneaktiviteten, som er et udtryk for hørelsen, tydeligt viser, at Eigil fik ekkoer tilbage under hans ene miss.

»Vi kan se responset fra ekkoet i vandet på hjerneaktiviteten. Så han tager simpelthen den forkerte beslutning, da han bliver i ringen,« fortæller hun.

Det er, hvad der kan ske. I alle tilfælde er det Eigil, der skal tage en aktiv beslutning, om han vil reagere eller ej. Nogle gange tager han den forkerte beslutning.

Eigil lavede også en falsk alarm, men Meike kan se, at det ikke skyldes, at han modtog et signal fra et ekko. Alligevel reagerer han, sikkert i håbet om at score en fisk.

Mange klik udløser hvalsang

Workshoppen illustrerer en del af de forsøg, som Meike Linnenschmidt laver i sit ph.d.-projekt.

Hendes overordnede mål er at finde ud af mere om marsvinenes generelle hørelse, men specifikt er hun interesseret i, hvordan deres hørelse fungerer, når de aktivt ekkolokaliserer.

Når marsvin jager, laver de op til 500 klik i sekundet, når de nærmer sig deres bytte.

Det er så intenst, at hverken vores hørelse eller højtalerne, der afspiller lydene for Fjord&Bælts gæster, kan opfatte eller gengive lyden rigtigt. Det lyder mere som en lille skinger sang, end som en serie af kliks.

Klikker hurtigere, end hjernen tillader

Det er lidt af en gåde for forskerne, hvordan marsvinenes hjerne overhovedet kan håndtere en så høj klikrate.

»Det er fælles for alle hvaler, at når de ekkolokaliserer, producerer de først et nyt klik, når de har fået ekkoet fra det foregående klik tilbage. Når klikraten bliver så høj, må vi derfor være meget tæt på grænsen for, hvad marsvinets hjerne kan behandle,« siger Meike Linnenschmidt, som endnu ikke kan svare på, hvordan dyrene er i stand til det:

»Beregningsmæssigt er det ikke muligt.«

Hendes bedste bud er, at marsvinene måske ikke tager sig af hvert eneste klik, når det går så hurtigt, men i stedet summerer signalet op.

Men det er blot spekulation. Måske hun kommer tættere på et svar, når hun nærmer sig enden af sin ph.d.

Når et ekko kommer tilbage, bevæger det sig igennem fedtvæv i underkæben op til øreknoglerne.

Trykbølgen transporteres hen til de tre knogler i mellemøret og videre til øresneglen. Gennem mekanik og sensoriske hårceller omdannes trykbølgen her til et elektrisk hjernesignal.

Signalet forlader det indre øre via hørenerven og når frem til hjernestammen. Her produceres et stærkt elektrisk signal, som bevæger sig igennem dyret og derfor kan måles på overfladen af huden med sugekopelektroder.

Jo tættere elektroderne sidder på oprindelse af signalet, jo stærkere signal kan de måle.

Det svarer lidt til, når man laver et EKG af hjertet. Her måler man også det elektriske signal fra hjertet på overfladen af kroppen.