Innovation Arena er en ny komparativ metode til at studere teknisk innovationshastighed pr. Tidsenhed hos dyr. Den består af 20 forskellige problemløsningsopgaver, som præsenteres samtidigt. Innovationer kan udføres frit, og opsætningen er robust med hensyn til dispositioner på individ-, populations- eller artsniveau.
Problemløsningsopgaver bruges ofte til at undersøge teknisk, innovativ adfærd, men en sammenligning af denne evne på tværs af en bred vifte af arter er en udfordrende virksomhed. Specifikke dispositioner, såsom en arts morfologiske værktøjskasse eller efterforskningsteknikker, kan i væsentlig grad påvirke udførelsen af sådanne opgaver, hvilket gør direkte sammenligninger vanskelige. Metoden, der præsenteres her, blev udviklet til at være mere robust med hensyn til sådanne artsspecifikke forskelle: Innovation Arena præsenterer 20 forskellige problemløsningsopgaver. Alle opgaver præsenteres samtidigt. Emner konfronteres med apparatet gentagne gange, hvilket gør det muligt at måle fremkomsten af innovationer over tid – et vigtigt næste skridt til at undersøge, hvordan dyr kan tilpasse sig skiftende miljøforhold gennem innovativ adfærd.
Hver enkelt person blev testet med apparatet, indtil det ophørte med at opdage løsninger. Efter at testen var afsluttet, analyserede vi videooptagelserne og kodede vellykket hentning af belønninger og flere apparatstyrede adfærd. Sidstnævnte blev analyseret ved hjælp af en hovedkomponentanalyse, og de resulterende komponenter blev derefter inkluderet i en generaliseret lineær blandet model sammen med sessionsnummer og gruppesammenligningen af interesse for at forudsige sandsynligheden for succes.
Vi brugte denne tilgang i en første undersøgelse til at målrette spørgsmålet om, hvorvidt langvarig fangenskab påvirker problemløsningsevnen hos en papegøjeart, der er kendt for sin innovative adfærd: Goffins kakadue. Vi fandt en effekt i motivationsgraden, men ingen forskel i problemløsningsevnen mellem kort- og langsigtede fangenskabsgrupper.
En musvit (Parus major) konfronteres med en mælkeflaske, men den kan ikke få direkte adgang til mælken, da flasken lukkes af en aluminiumsfolie. Det finder en løsning på dette problem ved at hakke gennem folien, så den kan drikke cremen. Denne situation beskriver et af de mest kendte eksempler på dyreinnovation1.
Det kan være en fordel at løse sådanne problemer, især i miljøer, der er genstand for hyppige ændringer. Kummer og Goodall2 har bredt defineret innovation som at finde “en løsning på et nyt problem eller en ny løsning på et gammelt”. En mere detaljeret definition af innovation blev postuleret af Tebbich og kolleger3 som “opdagelsen af en ny adfærdsmæssig interaktion med det sociale eller fysiske miljø, udnytte en eksisterende mulighed og / eller skabe en ny mulighed”.
At være vidne til spontane innovationer kræver grundige og tidskrævende observationer, hvilket ofte ikke er muligt inden for en ramme, der omfatter en bred vifte af arter. For at håndtere denne udfordring har forskere gennemført strenge litteraturgennemgange for at estimere innovationsfrekvens 4,5 og har afdækket sammenhænge mellem tilbøjeligheden til at innovere og andre faktorer såsom neurologiske foranstaltninger 6,7,8 og fodringsøkologi 9,10,11 . Eksperimentelle tests kan dog fremkalde innovativ adfærd i et kontrolleret miljø. Af denne grund anvendes præstationer i forbindelse med tekniske problemløsningsopgaver ofte som en proxy for innovativ kapacitet hos dyr (se gennemgang i12).
En række forskellige tilgange er blevet brugt til at undersøge innovativ problemløsning: For eksempel kan forskellige grupper af dyr sammenlignes ved deres præstationer på en bestemt opgave. Sådanne undersøgelser er typisk rettet mod specifikke innovationer eller kognitive evner (f.eks. Krogbøjningsadfærd; se 13,14,15). Dette giver forskere mulighed for at få detaljerede oplysninger inden for en bestemt kontekst, men fortolkningen af eventuelle ligheder eller forskelle er begrænset af opgavens art, hvilket kan kræve forskellig innovativ styrke fra forskellige grupper (som diskuteret i13,14).
Andre undersøgelser har gennemført en række på hinanden følgende opgaver16,17. En sammenligning af præstationer på flere opgaver og en estimering af den samlede kompetence inden for specifikke områder er muliggjort af denne metode. En begrænsning af sådanne undersøgelser er imidlertid i den successive præsentation af de forskellige opgaver, som ikke giver mulighed for en undersøgelse af fremkomsten af innovationer over tid.
Endnu en anden tilgang er samtidig at tilbyde forskellige muligheder for at få adgang til en enkelt belønning. Dette opnås ofte ved at bruge Multi Access Box (MAB)18,19,20,21,22,23,24,25,26, hvor en belønning placeres i midten af en puslespilskasse og kan hentes via fire forskellige løsninger. Når den samme løsning bruges konsekvent, blokeres den, og dyret skal skifte til en anden løsning for at få adgang til belønningen. Gennem et sådant eksperiment kan mellem og inden for artspræferencer detekteres og redegøres for, men det begrænser stadig udtrykket for innovativ adfærd til en løsning pr. Forsøg 18,19,20,21. I andre undersøgelser er dyr også blevet præsenteret for apparater, der indeholder flere opløsninger på samme tid, hver med separate belønninger. Dette giver mulighed for flere innovationer inden for et enkelt forsøg, men hidtil har opgaverne stort set været begrænset til nogle få motorisk forskellige løsninger. Da det ikke var fokus for disse undersøgelser, involverede forsøgsopstillingerne ikke gentagne eksponeringer for apparatet, hvilket ville muliggøre et mål for innovationshastigheden pr. tidsenhed 27,28,29.
Her præsenterer vi en metode, der ud over andre tilgange kan hjælpe os med at sammenligne forskellige arter i deres innovative problemløsningsevner. Vi udviklede en bredere vifte af opgaver inden for et enkelt setup, som forventes at variere i sværhedsgrad pr. gruppe eller art. Det er derfor mindre sandsynligt, at opgavespecifikke forskelle påvirker den samlede sandsynlighed for at finde løsninger. Desuden præsenterer vi alle opgaver samtidigt og gentagne gange for at måle fremkomsten af innovationer over tid. Denne foranstaltning har potentialet til at forbedre vores forståelse af den adaptive værdi af innovativ adfærd.
En første undersøgelse ved hjælp af denne metode har undersøgt, om langvarig fangenskab påvirker problemløsningsevner (som foreslået af den såkaldte fangenskabseffekt; se30) af Goffins kakadue (Cacatua goffiniana; herefter: Goffins), en fuglemodelart for teknisk innovativitet (gennemgået i31).
Innovation Arena er en ny protokol til test af innovativ, teknisk problemløsning. Da vi designede opgaverne i Innovationsarenaen, overvejede vi nøje, at opgaverne skulle være mulige at løse i betragtning af en række arters morfologiske begrænsninger (f.eks. Ved hjælp af næb, snuder, poter, kløer eller hænder). For at muliggøre bredere sammenlignelighed mellem arter, der allerede er testet, og arter, der skal testes i fremtiden, opfordrer vi til brug af disse opgaver, hvis det er muligt med den respektive model. Vi er dog klar over, at nogle opgaver muligvis skal tilpasses specifikke morfologiske grænser for en art. Vigtigst af alt skal opgaverne være nye for emnerne, hvilket kan kræve nye, alternative designs. En fordel ved Innovationsarenaen er, at sammenligninger på grund af antallet af forskellige opgaver stadig vil være mulige og informative, selvom nogle opgaver skal justeres eller ændres i fremtidige studier.
Under planlægningen af undersøgelsen bør det overvejes, at prætestfasen (f.eks. konstruktion og konstruktion af apparatet) kan kræve lang tid. Endvidere er det vigtigt at grundigt vænne emnerne til apparatet. Forskellige grupper kan variere væsentligt i deres sonderende tilgang og neotiske reaktioner 40,41,42. Eliminering (eller reduktion) af neofobiske reaktioner vil gøre sammenligninger mere pålidelige og gøre det muligt at identificere motivationens rolle. For at måle den individuelle fremkomst af innovationer over tid og for at undgå social læring er det afgørende, at emner testes gentagne gange og individuelt, hvilket kan være udfordrende under feltforhold. For mange arter vil vildtfangede forsøgspersoner have brug for lang tid til at vænne sig til det nye miljø, menneskelig tilstedeværelse og interaktion og til at udvikle en arbejdsadskillelsesprocedure. Desuden er det muligvis ikke praktisk muligt at nøje overholde randomiseringsplanen for hver enkelt person pr. Session. Mens de langvarige kakaduer i fangenskab i vores undersøgelse blev trænet til at komme ind i testrummet, når de blev kaldt ved deres individuelle navn, var vi nødt til at være mere opportunistiske med hensyn til, hvilken person der kommer ind i testrummet i marken. Bortset fra motivationsniveauer stødte vi på en anden faktor, der kunne påvirke resultaterne af en komparativ undersøgelse ved hjælp af Innovation Arena. På grund af fodringspræferencer og fødetilgængelighed brugte vi forskellige belønningstyper til de to grupper, hvilket øgede fodringstiderne for vilde kakaduer sammenlignet med laboratoriefuglene. Vi tog højde for disse forskelle ved at tilføje fodringsvarighed (hvis den oversteg 3 s) til den samlede tid, et individ blev konfronteret med arenaen. Denne protokol sikrede, at tiden til at interagere med arenaen ikke blev reduceret i en gruppe på grund af fodringstid. Fremtidige undersøgelser bør overveje dette potentielle problem og kan sigte mod at gennemføre denne protokol allerede i tilvænningsfasen.
Styrken og nyheden ved denne metode omfatter kombinationen af et større udvalg af opgaver, samtidig præsentation af disse opgaver, flere belønninger pr. Møde med apparatet og gentagen eksponering for apparatet for hvert emne.
Desuden testes enkeltpersoner, indtil de ikke løser nye opgaver. I modsætning til et fast antal sessioner kan dette maksimale (eller asymptotiske niveau) af løsningsopdagelse sammen med antallet af løste opgaver pr. Session være informativt om en gruppes potentielle tilpasning til et skiftende miljø.
Et eksempel på en alternativ metode er Multi Access Box (MAB), hvor det er muligt at løse en opgave gennem fire forskellige løsninger, men kun én belønning kan hentes pr. møde med apparatet18 , og dermed er estimeringen af innovationshastigheden over tid væsentligt begrænset. Desuden kan vanskeligheder med enkeltopgaver, som kan være artsspecifikke, i høj grad påvirke sammenligningen af præstationer med hensyn til kognitive evner. Så vidt vi ved, har den samtidige præsentation af opgaver med motorisk adskilte løsninger været begrænset til maksimalt seks opgaver i tidligere undersøgelser (Federspiel, 6-vejs MAB om mynahfugle, data hidtil ikke offentliggjort). Mens MAB er et meget nyttigt værktøj til at afdække efterforskningsteknikker, mener vi, at Innovation Arena er bedre egnet til sammenligning af evnen til at innovere sig selv. En bredere vifte af opgaver, som også varierer i sværhedsgrad, kan være mere informativ om en overordnet teknisk problemløsningskompetence29.
I vores første undersøgelse sammenlignede vi med succes to grupper af samme art, Goffins kakadue, som var væsentligt forskellige i deres oplevelse. Med denne sammenligning målrettede vi specifikt spørgsmålet om, hvorvidt langvarig fangenskab påvirker problemløsningsevner. Tidligere undersøgelser har antydet, at en langvarig livsstil i fangenskab forbedrer disse evner (se30,43), men direkte sammenligninger gennem kontrollerede eksperimentelle tilgange har været sjældne (men se44,45). Ved at bruge Innovation Arena var vi i stand til at målrette dette spørgsmål og fandt ingen støtte til en fangenskabseffekt på Goffins samlede kapacitet til at finde nye løsninger, men snarere en effekt på et motiverende niveau32.
Derudover kan Innovation Arena bruges til at behandle spørgsmål med fokus på forskellige aspekter af innovativ problemløsning. Yderligere skridt kan omfatte undersøgelser rettet mod virkningerne af divergens og konvergens. For eksempel sammenligninger mellem nært beslægtede arter, der adskiller sig i deres økologi (f.eks. Øarter vs. ikke-øarter), men også fjernt beslægtede arter, såsom en papegøje og en korvidrepræsentant eller fugle- og primatarter, der tidligere viste lignende præstationer i individuel fysisk problemløsning46. Innovation Arena blev udviklet til at sammenligne mange forskellige arter, selv dem, der er fjernt beslægtede.
Når det er sagt, kan denne metode meget vel også bruges til at undersøge inter-individuelle forskelle. For eksempel kan man bruge personlighedsscorer som prædiktorer til at estimere deres indflydelse på innovationshastigheden. Vi mener, at den præsenterede metode kan bruges af forskergrupper, der studerer innovation fra dyr og mennesker, og / eller i samarbejde af laboratorier, der specialiserer sig i studiet af forskellige arter.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Stefan Schierhuber og David Lang for deres hjælp med produktionen af denne video, Christoph Rössler for hans hjælp med tekniske tegninger og Poppy Lambert for korrekturlæsning af dette manuskript. Denne publikation blev finansieret af den østrigske videnskabsfond (FWF; START-projekt Y01309 tildelt AA). Den præsenterede forskning blev finansieret af den østrigske videnskabsfond (FWF; projekter P29075 og P29083 tildelt AA og projekt J 4169-B29 tildelt M.O.) samt Wien Science and Technology Fund (WWTF; projekt CS18-023 tildelt AA).
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 |
||
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 |
||
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) |
||
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 |
||
acrylic glass | V-cut to facilitate sliding of rod Dimensions: 4cm x 3cm x 1cm (0.5cm V-cut in the middle ) |
||
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 |