Дофаминовые нейроны нужны мухам, чтобы учиться на ошибках

Автор: Александр Марков 

Мозг самца дрозофилы. Желтыми стрелками отмечены дофаминовые нейроны aSP13, активация которых приводит к тому, что самец становится разборчивым и начинает ухаживать преимущественно за девственными самками. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Девственные самки дрозофил обычно готовы спариться с первым попавшимся ухажером, чего нельзя сказать о самках, уже имеющих сексуальный опыт (и запас спермы в семяприемнике). Молодые самцы поначалу ухаживают за всеми самками без разбора, но вскоре начинают предпочитать девственниц, убедившись на опыте, что с ними легче поладить. Австрийские биологи частично расшифровали механизм такого обучения. Оказалось, что неудачные ухаживания повышают чувствительность самцов к мужскому феромону cVA, которым пахнут самки, уже спарившиеся с кем-то. Для успешного обучения необходима работа особой группы дофаминовых нейронов, посылающих сигналы в грибовидное тело — отдел мозга, ответственный за принятие решений. Искусственное возбуждение этих нейронов «обучает» самцов предпочитать девственниц даже без опыта неудачных ухаживаний.

Способность учиться на собственном опыте — полезнейшая адаптация, позволяющая животным менять свое поведение в зависимости от обстоятельств. Полностью врожденные, не зависящие от обучения поведенческие реакции хороши только в том случае, если одно и то же решение в какой-то стандартной ситуации всегда является оптимальным. В случае с выбором партнерш самцами дрозофил это явно не так. Самки, уже спарившиеся с кем-то, разборчивее и менее охочи до секса. Но их целомудрие не абсолютно: нередко они спариваются с несколькими партнерами, каждый из которых получает шанс оставить потомство. К тому же численное соотношение девственных и недевственных самок может варьировать в зависимости от места и времени. Поэтому самцам невыгодно ни с самого рождения интересоваться только девственницами, ни оставаться всю жизнь неразборчивыми. Чрезмерно разборчивые самцы часто упускали бы ценные возможности, слишком неразборчивые — тратили бы много ресурсов на безуспешные ухаживания.

Скорее всего, именно поэтому предпочтение девственниц у самцов дрозофил не стало полностью врожденным. Это «полуврожденный» навык, развивающийся легко и быстро, но всё же требующий активации или «доводки» при помощи обучения. Точно так же, например, юные макаки-резусы легко и быстро учатся бояться игрушечных змей и крокодилов, но не цветов или игрушечных кроликов (Cook & Mineka, 1989. Observational conditioning of fear to fear-relevant versus fear-irrelevant stimuli in rhesus monkeys, PDF, 1,03 Мб).

Австрийским биологам из Института молекулярной патологии в Вене (IMP) удалось частично расшифровать нейрофизиологический механизм, позволяющий самцам дрозофил «делать выводы» из негативного сексуального опыта.

Для начала исследователи убедились, что неудачные ухаживания действительно снижают интерес самцов к недевственным самкам. «Интерес» оценивали при помощи индекса ухаживания (courtship index, CI), определяемого как доля времени, потраченного самцом на ухаживание в течение 10‑минутного теста, пока он находился в пробирке наедине с самкой. Оказалось, что наивные (не имеющие сексуального опыта) самцы ухаживают за девственницами лишь на 13,8% активнее, чем за бывалыми самками. Однако у самцов, отвергнутых недевственной самкой, показатель предпочтения девственниц возрастает до 51,6%.

Итак, обучение действительно происходит. Чтобы лучше понять его алгоритм, авторы поставили дополнительный эксперимент, в котором на этапе «тренировки» самцам устраивали свидание не с несговорчивой недевственной самкой, а с мертвой (обезглавленной) девственницей. Самцы начинали ухаживать за покойницей — разумеется, безуспешно. При этом они, как и в первом эксперименте, приобретали негативный сексуальный опыт, но в ином контексте.

Оказалось, что тщетные ухаживания за мертвой девственницей приводят к точно такому же результату, что и тщетные ухаживания за недевственной недотрогой: в обоих случаях у самцов увеличивается индекс предпочтения девственниц! Авторы сделали из этого логичный вывод, что главным фактором, превращающим неразборчивого самца в любителя девственниц, является неудачная попытка спаривания как таковая, а не активное сопротивление самки или другие аспекты ее поведения (ведь обезглавленные самки не имели возможности как-то себя вести).

Кроме того, данный результат показывает, что алгоритм обучения крайне прост и не предусматривает понимания ситуации и моделирования причинно-следственных связей. Самец не учитывает, какая именно самка его отвергла, каким образом и почему. Неудача с девственницей не учит его избегать девственниц (подобно тому, как макака не начинает бояться кроликов даже после просмотра фильма, в котором другая макака пугается кролика, хотя в случае со змеей такое обучение весьма эффективно). Очевидно, в мозге наивного самца дрозофилы «прописан» простейший алгоритм: пытайся спариться с любой самкой, а если не получится — ищи девственниц.

Но как самец отличает девственницу от недевственницы? Авторы предположили, что «ключом» может служить мужской феромон cVA (11‑cis‑vaccenyl acetate), который попадает на кутикулу самки во время спаривания. Дрозофилы обоего пола воспринимают этот феромон при помощи рецептора Or67d (подробнее о влиянии cVA на половое поведение самцов и самок дрозофил и о нейрологических основах этого влияния см. в заметке «Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского», «Элементы», 08.12.2010).

Эксперименты с самцами, у которых ген Or67d был выведен из строя, подтвердили ожидания исследователей. Оказалось, что самцы-мутанты не различают девственниц и недевственниц, и негативный сексуальный опыт ничему их не учит. Отключение генов других феромонных рецепторов (Or47b и Gr68a) не дало такого эффекта. Стало быть, феромон cVa действительно играет роль в изучаемом явлении.

Эти выводы были подтверждены в дополнительных экспериментах с участием самок — «псевдодевственниц» и «псевдонедевственниц». Исследователи заставляли недевственных самок вести себя «по-девичьи» и наоборот при помощи полового пептида (sex peptide, SP), содержащегося в семенной жидкости. Именно этот пептид делает самок разборчивыми и снижает их сексуальный аппетит после первого cпаривания. «Псевдодевственница» — это самка, спарившаяся с самцом, у которого не работает ген SP. Такая самка принимает ухаживания после спаривания столь же охотно, как и до спаривания. «Псевдонедевственниц» делали из девственных самок, искусственно включая ген SP в их нервной системе: такие самки ведут себя так, как будто уже спарились с кем-то.

Но самцы не поддались на обман: после любовной неудачи они энергично ухаживали за самками, которые на самом деле ни с кем не спаривались (будь то простые девственницы или «псевдонедевственницы»), в то время как недевственницы и «псевдодевственницы» интересовали их намного меньше.

Cледующий эксперимент был поставлен для проверки предположения о том, что негативный сексуальный опыт делает самцов более чувствительными к cVA. Для этого на кутикулу «псевдонедевственниц» наносили cVA в разных концентрациях и смотрели, как это отразится на их привлекательности в глазах наивных и «опытных» (потерпевших любовную неудачу) самцов. Оказалось, что наивных самцов может отпугнуть от самки только очень высокая концентрация cVA. Самцов, ранее потерпевших неудачу, расхолаживает даже ничтожное количество мужского феромона на теле самки. Следовательно, неудачи действительно повышают чувствительность самцов к cVA.

Установив эти факты, авторы приступили к кропотливым генно-инженерным экспериментам, целью которых был поиск конкретных нейронов, ответственных за данный вид обучения у самцов дрозофил. Для этого исследователи выводили мух, у которых те или иные группы нейронов возбуждаются при нагревании (в мушиный геном вставляли гены ионных каналов, открывающихся при нагревании, соединенные с регуляторными участками — промоторами, активирующимися только в нейронах определенного типа), избирательно блокировали работу различных нейронов, отключали и снова включали в разных отделах мозга гены рецепторов, позволяющих нейронам реагировать на те или иные нейромедиаторы — и проверяли, как всё это скажется на обучаемости самцов.

В итоге выяснилось, что ключевую роль в данном виде обучения играет небольшая группа дофаминовых (то есть выделяющих нейромедиатор дофамин) нейронов под кодовым названием aSP13. Таких нейронов насчитывается от двух до четырех в каждом полушарии мозга. Ранее уже было известно, что дофаминовые нейроны у насекомых, как и у позвоночных, активно участвуют в процессах обучения и запоминания. Нейроны aSP13 посылают «обучающие» дофаминовые сигналы в грибовидные тела, где находятся высшие ассоциативные центры мозга насекомых. Нейроны грибовидных тел воспринимают эти сигналы при помощи дофаминовых рецепторов DopR1.

Схема нейронной сети, обрабатывающей информацию о феромоне cVA (см. также схему в заметке «Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского», «Элементы», 08.12.2010). DA1 PNs — группа обонятельных нейронов, о которой рассказано в вышеупомянутой заметке. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Для того чтобы самец-неудачник научился предпочитать девственниц, необходима слаженная работа всех компонентов нейронной сети. Должны нормально функционировать нейроны aSP13 и MBγ (так называются те нейроны грибовидных тел, которые принимают сигналы от aSP13); обонятельные нейроны, воспринимающие феромон cVA; всё должно быть в порядке и с рецепторами Or67d и DopR1. Выход из строя любого из этих компонентов лишает самцов способности к данному виду обучения. Такие самцы остаются неразборчивыми и ухаживают за всеми самками подряд независимо от своего жизненного опыта. Если же у наивного самца искусственно активировать нейроны aSP13, то этого оказывается достаточно, чтобы он, подобно бывалому неудачнику, начал предпочитать девственниц. Разумеется, в этой нейронной сети кроме выявленных авторами компонентов должны быть и другие. Например, пока неясно, откуда и как попадает в систему информация о любовной неудаче (именно эта информация, очевидно, должна приводить к возбуждению aSP13).

Исследование представляет собой важный шаг к пониманию того, как могут быть на нейронном уровне закодированы в мозге самообучающиеся поведенческие алгоритмы.

Источник: Krystyna Keleman, Eleftheria Vrontou, Sebastian Krüttner, Jai Y. Yu, Amina Kurtovic-Kozaric, Barry J. Dickson. Dopamine neurons modulate pheromone responses in Drosophila courtship learning // Nature. 2012. V. 489. P. 145–149.