Нейробиология и генетика поведения
Наверняка каждый бывавший в селе человек видел, как утята бегают за своей мамой-уткой. Откуда же они знают, кто их мама и за кем надо бежать? Здесь мы сталкиваемся с явлением импринтинга (от англ. запечатлевать), описанным лауреатом Нобелевской премии Конрадом Лоренцом. Дело в том, что если утенок или цыпленок увидит в течение нескольких часов после вылупливания движущийся объект, он будет бегать за ним всю оставшуюся жизнь. Образ движущегося объекта впечатывается в их зрительную память, это достаточно разумное эволюционное приспособление, так как в обычной жизни первое, что видят цыплята, - это их мать, которая обеспечивает их существование. Каким же образом формируются нервные связи, с помощью которых мы можем что-то запомнить? Об этом и пойдет речь.
Если вам нужно узнать время, вы можете взглянуть на часы и некоторое время помнить, что показывали стрелки часов. Но одного мимолетного взгляда на часы не достаточно, чтобы запомнить на всю оставшуюся жизнь, что именно в этот момент было столько-то времени, разве что в это время произойдет что-то необычное. При неоднократном повторении какого-либо действия оно запоминается и уходит в так называемую долгосрочную память. Механизмы формирования кратко- и долгосрочной памяти разные. Они были изучены на разных животных, от улиток до обезьян, и знания, полученные в экспериментах, применяются сейчас в медицине, а также помогают понять, что происходит как происходит развитие ребенка. Каким образом формируется память? Со школы известно, что мозг состоит из нейронов, у которых имеется тело, длинный отросток аксон и короткие отростки дендриты, которые получают сигнал от других нейронов или рецепторов, обрабатывают его и посылают его дальше. При рождении животного часть нервных путей уже сформирована, это то, что называют безусловными рефлексами или комплексами фиксированных действий. Это набор реакций на какой-либо стимул, для которых не требуется обучения. На прошлых лекциях упоминалось, что у ребенка при рождении есть набор рефлексов, например хватательный и сосательный. На основе врожденного поведения формируется дальнейшее поведение. Мы разберем формирование нервных связей на примере зрительных, то есть как ребенок или котенок учится различать объекты. При рождении животное не способно различать объекты, хотя способно реагировать например на яркий свет, так как глаза у котенка устроены так же, как и у взрослой кошки, есть связи, передающие сигнал от светочувствительных клеток к зрительной коре, но структура этих связей еще не такая, как у кошки. После рождения, та часть коры головного мозга, которая отвечает за зрительное и другие типы восприятия претерпевает изменения. От глаз, светочувствительных клеток идут цепи нейронов к структуре, называемой боковым коленчатым телом, от них сигналы поступают к зрительной коре противоположной части головного мозга. Сигналы, поступающие в мозг, обрабатываются на каждой стадии поступления, то есть если в самом глазном яблоке миллионы рецепторов, то в боковом коленчатом теле на порядок меньше нервных связей, соответственно каждый нейрон получает сигнал от нескольких рецепторов. То, как формируется распознавание объектов в зрительной коре, было изучено на котятах. У новорожденного котенка, зрительные нервные связи перекрываются, но по мере накопления зрительного опыта оказывается, что глаза посылают сигналы в не перекрывающиеся участки коры, то есть остаются только те чередующиеся связи, которые идут только к одному глазу отдельно. Эти структуры называются колонками глазодоминантности. На слайде они показаны на примере макаки. Они видны, потому что макаке ввели в глаз радиоактивное вещество, которое распространилось только в тех клетках коры, которые отвечают за зрительное восприятие, то есть имеют нервные связи с этим глазом.
Исследование того, как сигнал с сетчатки глаза последовательно передается в структуры мозга и как он обрабатывается в каждой из них, что приводит в конечном итоге к восприятию изображения, провели лауреаты Нобелевской премии Дэвид Хьюбел и Торстен Визел. Они провели серию экспериментов по так называемой монокулярной депривации у котят. Один глаз у новорожденного котенка закрывали на несколько недель. Сигналы от этого глаза поступали в кору. Было показано, что соответствующие этому глазу колонки глазодоминантности были очень узкими, в то время как от другого – очень широкими. Таким образом тот глаз, который был закрыт, представлен в коре головного мозга небольшим числом нервных связей. Если через месяц глаз открыть, то новые нервные связи уже не образуются, хотя глаз и нервные структуры не повреждены. Это говорит о существовании сензитивного (чувствительного) периода, когда клетки компетентны и способны образовывать нервные связи, соответствующие получаемому опыту. После этого периода такие нервные связи не образуются. До того, как были проведены эксперименты с котятами, когда врачи лечили врожденную катаракту (помутнение хрусталика) у детей, операцию откладывали на более поздний возраст, когда ребенок легче перенесет операцию. В результате после операции зрение не восстанавливалось. После проведения опытов с котятами стало ясно почему - у детей проходил сензитивный период, когда еще был смысл проводить операцию. Если котятам в течение сензитивного периода закрывать глаза по очереди, то у котят не формировалось бинокулярное зрение, то есть они видели, но не могли оценить перспективу.
Есть концепция, основанная на ряде проведенных опытов, что процесс образования колонок глаза доминантности является конкурентным, идет конкуренция потоков сигналов от левого и правого глаза. Так же конкурентный характер носит формирование связей в других участках коры, принимающих сигналы от других рецепторов. Представление о конкурентном формировании нервных структур мозга разработана Джеральдом Эдельманом (лауреат Нобелевской премии за серию работ по структуре антител). Эдельман показал, что при поступлении сигналов между нейронами, которые активируются одновременно, образуются нервные связи. Они образуют группы нейронов, которые на следующем этапе обучения животного, образуют группы более высокого порядка и так далее.
Таким образом, в результате приобретения жизненного опыта изначально одинаковые нейроны делятся на группы, которые взаимодействуют и работают вместе при поступлении какого-либо сигнала. Например, если одна группа нейронов отвечает за вкус, другая – за цвет, третья – за запах, четвертая – за форму, то при возникновении связей между этими группами можно создать целостное представление o яблоке. На каждом этапе образование нервных связей между группами нейронов идет за счет конкуренции, то есть если сигналы не поступают, то нервные связи отмирают, и наоборот. Свою концепцию Эдельман назвал нейродарвинизмом, так как процесс конкурентного отбора нервных связей очень похож на естественный отбор, происходящий в процессе эволюции и образования видов.
Следующая серия экспериментов была проведена с совами Э.Кнудсеном. У сов очень хорошо развита зрительная и слуховая система. На совенка надевали призматические очки, в которых все образы смещались на двадцать градусов в сторону. Происходило рассогласование между слуховыми и зрительными сигналами. Через некоторое время после того, как зрительная кора сделала пересчет на двадцать градусов назад, слуховая система подстроилась под зрительную, и совенок без проблем ловил мышей. Но это происходило только в том случае, если совенку было не больше 70 дней. Если после этого очки снять, то слуховая кора может опять подстроиться под зрительную, но только если совенку не больше 200 дней. Однако если совенка держать в вольере, где много других сов, сензитивный период увеличивался, они больше времени были способны к обучению. Их этих экспериментов был сделан вывод: богатая сенсорная среда продлевает сензитивный период.
Похожие опыты проводились и на крысах. Оказывалось, что у крыс, у которых была интересная, богатая среда, в коре сформировано больше нервных связей, у них более разветвленные дендриты на аксонах, на нейронах больше синапсов. Уже давно известно, что с младенчества ребенку надо давать много разных игрушек, погремушек, ярких картинок, чтобы он тренировал тактильные, зрительные и слуховые системы восприятия, у таких детей в дальнейшем лучше развиваются интеллектуальные способности.
В следующей серии экспериментов котят помещали в так называемую вертикальную среду (котята сидели в темноте, и свет зажигали ненадолго, при этом в пустом помещении имелись только вертикальные полоски на стенах). По окончании сензитивного периода их помещали в обычную среду. Оказалось, что такие котята не видят горизонтальные предметы, то есть если швабра стоит, то котенок может ее обойти, если она лежит, то он на нее натыкается. Это происходит потому, что в коре не образовались связи, реагирующие на горизонтальные предметы. То есть сигнал, поступивший через глаза и далее через боковое коленчатое тело, просто не может быть обработан в коре, он не распознается. Этот пример говорит о том, что животное, в частности человек, который в сензитивный период (до 3-5 лет) не получил богатый сенсорный опыт, будет ограничен в развитии своих интеллектуальных способностей. Пример – дети-Маугли, которых находили в возрасте 5-7 лет, не способных уже научиться говорить.
Каким образом изучают гены, связанные с поведением? Их изучают и животных и у человека. На прошлых лекциях упоминалось о том, как степень наследственной детерминации признака изучается на близнецах, монозиготных и дизиготных. Здесь представлено сравнение конкордантности (совпадения признака) по росту у моно- и дизиготных близнецов.
Видно, что у монозиготных близнецов совпадение по росту заметно больше, чем у дизиготных, из чего можно сделать вывод, что вклад наследственности велик. Поведение больше подвержено внешнему влиянию, но все же и здесь можно уследить, хоть и более слабое, но заметное влияние наследственности на поведение. В данном случае брался такой признак, как стремление к новизне, которое устанавливается на основе психологического тестирования и оценивался в баллах. Видно, значения признака у монозиготрных близнецов ближе, чем у дизиготных.
На прошлых лекциях уже рассказывалось о гене DRD4, ассоциированном со стремлением к новым впечатлениям. Длинный аллель этого гена с повышенной частотой встречается в семьях больных с наследственной формой алкоголизма, и он ассоциирован с «модным» детским диагнозом – синдром гиперактивности с нарушением внимания. Дети с таким диагнозом в школах не могут усидеть за партами. Любопытно, что это заболевание эффективно лечится без всяких таблеток на тренажерах с обратной связью. Детям показывают мультфильм на экране компьютера, и мультфильм выглядит резко, когда они внимательны. Внимательность фиксируется с помощью энцефалограмм, и в зависимости от внимательности детей изменяется резкость мультфильма.
Имеется генетический вклад и в развитие наркотической зависимости –конкордатность монозиготных близнецов по злоупотреблению и зависимости от кокаина выше, чем у дизиготных.
Действие кокаина было изучено на крысах. У крысы с сформированной кокаиновой зависимостью нейроны, опосредующие действие кокаина, имеют больше синапсов, чем у нормальных крыс. То есть, кокаин оказал на крыс такое же действие, как обучение. То есть, человек или крыса, которая пользовалась наркотиком, прошел «обучение», чтобы реагировать на наркотик, и у него сформировались патологические нервные связи, которые делают для него полученный опыт легко восстановимым, потому что нервные связи уже есть. А другие нервные связи, которые бы в норме обеспечивали ему приятные ощущения от полезных для здоровья переживаний, из-за конкурентного формирования оказываются ослабленными. То есть использование наркотиков, особенно в раннем возрасте, меняет морфологию и анатомию нейронов, структуру коры головного мозга, и уклоняет развитие с нормального пути.
Как известно, сигнал в нейронах передается в два этапа. На первом этапе передается электрический импульс вдоль отростка нейрона. При этом происходит поляризация-деполяризация мембраны, потому что поперек мембраны идет поток ионов (К, Мg и т.д.). На участке контакта между двумя нейронами имеется структура, которая называется синапс. Это тесный контакт меду двумя клетками, а между ними имеется синаптическая щель. В эту щель при деполяризации мембраны передающего сигнал нейрона попадают нейромедиаторы (посредники передачи нервного импульса). На мембране воспринимающего нейрона «сидят» рецепторы, которые воспринимают сигнал, опять происходит поляризация-деполяризация мембраны и сигнал передается дальше. Ниже показаны некоторые вещества, которые выступают в роли нейромедиаторов: Глицин, ацетилхолин, γ-аминомаслянная кислота, гистамин, серотонин, дофамин и т.д. Структура некоторых нейромедиаторов представлена на рисунке.
К примеру, дофамин образуется из тирозина, и в результате последовательности реакций получается адреналин. Существуют последовательности реакций, в которых происходит синтез нейромедиаторов и их распад. Рассмотрим это на примере дофамина. В пресинаптическом нейроне синтезированный дофамин упаковывается в пузырьки, которые, в ответ на поступивший сигнал, сливаются с пресинаптической мембраной и выпускают дофамин в синаптическую щель. Поступивший в синаптическую щель дофамин связывается с рецепторами на постсинаптической мембране и с ауторецепторами пресинаптического нейрона. Связывание нейромедиатора с рецепторами постсинаптического нейрона «включает» трансмембранный поток ионов, что приводит к изменению заряда мембраны нейрона. Изменение заряда (область переполяризации мембраны) распространяется вдоль аксона, что собственно и представляет собой нервный импульс, и сигнал идет дальше следующему нейрону. Через ауторецепторы синтез дофамина в пресинаптическом нейроне ингибируется. Неиспользованный дофамин транспортируется обратно в пресинаптический нейрон или окисляется ферментами, работающими в синаптической щели (катехоламин-о-метилтрансфераза, моноаминоксидаза и другие).
Другой нейромедиатор, серотонин, работает сходным образом. Есть нейрон, который передает сигнал, и есть нейрон, который его принимает. Передающий нейрон синтезирует серотонин. Когда поступает сигнал, серотонин выпускается в синаптическую щель и связывается с рецептором на мембране воспринимающего нейрона.
После того, как нейромедиатор серотонин поступил в синаптическую щель, часть его была использована для запуска сигнала и деполяризации постсинаптической мембраны, а часть (также как и в случае с дофамином) осталась «болтаться» в синаптической щели. Во-первых, этот неиспользованный серотонин разрушается ферментами. Но система устроена настолько экономично, что на пресинаптической мембране (то есть на мембране подавшего сигнал нейрона) «сидит» специальный белок – транспортер серотонина, который, как хорошая хозяйка, закладывает обратно на хранение неиспользованный серотонин. Оказалось, что генетически детерминированы две формы этого белка-транспортера, одна работает быстро, а другая медленно. Ниже показано, чем на уровне ДНК отличаются эти две формы. Оказалось, что различие между ними вызвано различием в регуляторной области гена.
Если белка-транспортера много, то серотонин поступает в синаптическую щель, и тут же начинает закачиваться обратно. Рецепторы, даже не успевают толком на него среагировать – это случай склонности к депрессии и, возможно, повышенной частоты самоубийств. Лекарства от депрессии блокируют работу транспортера серотонина и дают возможность серотонину сделать свою работу.
Для исследования связи между генотипом по гену серотонина и склонностью к депрессии провели следующий эксперимент. Выборку молодых людей до 26-летнего возраста опросили о том, какие тяжелые переживания достались на их долю, и о том, бывает ли у них депрессия, а затем определили, какие аллели он по гену транспортера серотонина они несут. Оказалось, что существует связь между перенесенными стрессами и сообщениями о депрессии в зависимости от того, какой вариант гена транспортера серотонина они несли. Люди с высокоактивным белком-транспортером серотонина чаще испытывают депрессию по мере накопления негативных событий в их жизни, чем те, у кого транспортер обладает низкой активностью. Если же негативных событий в жизни было мало, то различия между людьми с разными генотипами не были обнаружены.
Сейчас выявлено около 60 генов, регулирующих передачу нервного импульса в разных системах мозга.
Выше упоминался фермент моноаминоксидаза А (MAOA), который разрушает нейротрансмиттеры, оставшиеся в синаптической щели. Этот ген привлек внимание ученых, когда была обнаружен семья с мутацией в этом гене. На прием к врачу пришла женщина, которая хотела иметь ребенка, но боялась, что ребенок будет болен, - у нее в семье мужчины (не все, но многие) отличались высокой агрессивностью (немотивированная агрессия и легкая степень умственной отсталости). Когда они были обследованы, оказалось, что это не просто дурной характер, а генетически детерминированное заболевание. Родословная этой семьи представлена на рисунке (темные кубики – больные мужчины, кружочки с ромбиком в центре обозначают женщин-носительниц мутации).
По характеру наследования поняли, что это заболевание, сцепленное с Х-хромосомой, потому что здоровые женщины рожали больных сыновей (дочери рождались нормальными, потому что у них две Х-хромосомы, и в одной ген мутантный, но в другой - нормальный). На Х-хромосоме нашли мутантный ген, оказалось, что он кодирует МАОА. Мутация – единичная нуклеотидная замена, которая вела к обрыву синтеза белка и МАОА при этом была нефункциональна. Таким образом, замена одного нуклеотида (цитозина на Тимин в данном случае) приводила к изменению поведения.
Этот ген стали более активно исследовать. Такая мутация, как в этой семье, полностью инактивирующая фермент, больше нигде не была найдена, но были обнаружены мутации, снижающие активность МАОА. Исследовали группу людей с низкой и нормальной активностью МАОА и сравнили количество случаев асоциального поведения (нападение, нападение с целью нанесения повреждений, убийство, изнасилование, жестокость по отношению к животным). Когда просто так исследовали выборку, разницы не нашли. Но когда эту выборку разделили по условиям воспитания в детстве, оказалось, что разница в поведении людей, которые воспитывались в благоприятных условиях, практически отсутствует, а вот если условия были плохие, то разница становится существенной.
Для изучения связи моноаминоксидазы А с поведением провели серию экспериментов на мышах. У мышей «нокаутировали» (то есть инактивировали) ген МАОА. Такие мыши были очень агрессивны, они набрасывались на своих сородичей без всякого повода, то есть вели себя также, как и люди с аналогичным генетическим дефектом. Эти исследования помогают понять, что именно в поведении детерминировано генетически и в какой мере, а что подвержено влиянию среды.
Другая серия исследований была посвящена тому, как формируется память и каким образом в этом процессе участвуют гены. На мышах была проведена серия экспериментов. Были исследованы глутаматные рецепторы. Они работают в зоне мозга, которая связана с ориентацией на местности. Нобелевский лауреат Сусуми Тонегава получил мышей, мутантных по рецептора глутамата, и исследовал их способность к запоминанию. В разных мышиных тестах мутанты не отличались от нормальных собратьев, но в тесте на запоминание положения предметов оказались “двоечниками”. Мышей запускали в ванну с платформой, на которую можно было встать. Непрозрачная вода не позволяла узнать где платформа, пока мышь не наткнется на нее случайно. Обычно мыши, несколько раз побывав в ванне, запоминали, где находится платформа и сразу плыли к ней. Мутанты не могли запомнить даже после десятков повторений. Их “географический кретинизм” связан с мутацией в рецепторе. Изменив этот рецептор, удалось получить и мышей-“отличниц”.
Дело в том, что существуют как минимум два типа глутаматных рецепторов. Один тип работает у молодых мышей и в ответный на сигнал дает сильный ионный ток через мембрану и, следовательно, сильный и дольше действующий потенциал. Но в определенном возрасте, по мере созревания, рецептор меняется, и вместо белка-рецептора, который давал сильный ионный ток, в мембранах уже находится рецептор, который дает слабый и менее продолжительный ток. Это связано с тем, что интенсивное обучение нужно проходить в молодости, а с возрастом животное становится более консервативным, повторяет то, что выучило в молодости. Исследователи ввели в геном мышей мутацию, в результате которой синтез “юношеского” белка усилился в несколько раз. Мутанты лучше запоминали и распознавали звуки, объекты и их положение в пространстве, быстрее справлялись с тестами. Тем самым, им как бы продлили сензитивный период. Может возникнуть вопрос, почему способность к обучению угасает с возрастом, то это уже отдельный эволюционный вопрос.
Каким же образом формируются навыки, то есть, новые синаптические связи? В серии экспериментов на мухах и улитках морских зайцах (аплизиях - их очень любят нейробиологи), были расшифрованы механизмы формирования кратковременной и долговременной памяти. За эти работы Эрик Кенделл получил Нобелевскую премию
Допустим, улитке подали электрический ток на хвост. Ей нужно хвост отдернуть. Каким образом это происходит.
От обиженного хвоста поступил сигнал в виде серотонина. Серотонин связывается с рецептором на мембране сенсорного нейрона. Именно здесь происходит этап обработки информации и принятии решения. Рецептор взаимодействует с аденилатциклазой, которая синтезирует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний взаимодействует с киназой (киназы – это белки, которые фосфорилируют другие белки). Киназа фосфорилирует кальциевые каналы в мембране, через них идет ток, мембрана деполяризуется, что является сигналом к выбросу нейромедиаторов в синаптическую щель. Нейромедиатор связывается с рецептором на постсинаптической мембране мотонейрона, и мотонейрон дает мышцам команду отдернуть хвост от неприятного раздражителя. Это – кратковременная память (работает 3-4 минуты).
Если раздражение продолжает поступать регулярно, то эта реакция – долгосрочная память (работает 12-24 часа). В этом случае продолжает синтезироваться цАМФ, то фрагмент киназы перемещается в ядро и активирует здесь ген, модифицирующий киназу – отщепляющий от нее кусочек таким образом, что она становится перманентно активной. То есть, циклический аденозинмонофосфат ей для активации становится не нужен. Это – долговременная память.
Если сигнал продолжает поступать и дальше, то включается следующий механизм. Большие количества фрагментов киназы активируют фактор транскрипции, запускающий работу группы генов, обеспечивающей синтез белков и образование нового синапса. Это – память на всю жизнь, именно она должна работать при обучении.