8. Моделирование на животных

У человека и других млекопитающих как биологических систем гораздо больше общности, чем различий. Например, число нуклеотидов в ДНК человека и мыши составляет примерно три миллиарда, причем более 99% генов у них являются общими. Любое поведение является результатом деятельности мозга. Известно, что многие механизмы деятельности мозга у человека и животных также идентичны. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эксперименты на животных как на более простых системах, к тому же при возможности вмешательства в деятельность этих систем, позволяют подойти к решению некоторых проблем генетики поведения человека. Вообще генетика поведения животных является самостоятельной областью генетики поведения, и в данной области ведутся различные исследования, прямым образом не связанные с генетикой человека, но способствующие решению некоторых её проблем. В дальнейшем, особенно в том разделе, где речь пойдет об индивидуальном развитии, мы еще не раз столкнемся с модельными экспериментами, ведущимися на животных. Воспользуемся несколькими примерами модельных экспериментов на животных, приведенными в руководстве по генетике человека Ф. Фогеля и А. Мотульски (1990).

Генетические различия в потреблении алкоголя. При изучении наследственных причин алкоголизма у человека широко используются эксперименты на мышах и крысах. Исследователям удалось путем инбридинга (близкородственного скрещи­вания) получить линии мышей с различной потребностью в алкоголе (напомним, что все животные, принадлежащие одной линии, имеют почти одинаковые генотипы). Мыши некоторых линий полностью избегают алкоголя, тогда как другие предпочитают в среднем до 2/3 дневной нормы жидкости получать в виде десятипроцентного раствора алкоголя. Были исследова­ны межлинейные различия в свойствах мозга и печени животных. Основные различия между контрастными линиями, выяви­лись в двух сферах — в метаболизме алкоголя и в его воздей­ствии на физиологию мозга. Было показано, что повышенная потребность в алкоголе сочетается с высокой чувствительно­стью мозга к его наркотическому действию. При скрещивании инбредных линий оказалось, что признак, обусловливающий различия между ними, контролируется двумя локусами.

Таким образом, эксперименты на животных позволили очертить те области, в которых необходимо было искать ге­нетические различия между людьми, — это метаболизм ал­коголя, то есть комплекс его превращений в организме, и нейрофизиологические реакции на алкоголь. В исследовани­ях на близнецах было обнаружено существенное генетичес­кое влияние на метаболизм алкоголя, а в нейрофизиологи­ческих экспериментах с регистрацией электроэнцефалограм­мы (ЭЭГ) было показано, что лица, склонные и не склонные к потреблению алкоголя, имеют разный характер ЭЭГ и раз­ную ее реактивность на введение алкоголя Оказалось, что родственники алкоголиков, не страдающие алкоголизмом, имели похожий характер биоэлектрической активности моз­га, а МЗ близнецы, в отличие от ДЗ, демонстрировали высо­кое сходство по реактивности ЭЭГ на алкоголь. Все эти эк­сперименты позволили заключить, что некоторые особенно­сти метаболизма и характер чувствительности нервной си­стемы к алкоголю являются генетически обусловленными при­чинами различий между людьми в склонности к потребле­нию алкоголя. Возникновение же алкоголизма как болезни, со всем комплексом поведенческих и личностных рас­стройств, определяется в основном внешними обстоятель­ствами, то есть средой. В обществе, где алкоголь доступен и традиционно является одним из элементов среды при об­щении людей, генетически восприимчивый к алкоголю чело­век имеет больше шансов заболеть алкоголизмом.

Способность к обучению. Никто не станет отрицать, что способность к обучению присуща не только человеку, но и животным. Эта способность широко исследуется в генетике поведения животных. Исследования проводятся также в ос­новном на инбредных линиях крыс или мышей. В этой обла­сти преимущество экспериментов на животных заключается в том, что по результатам скрещивания особей разных ли­ний, то есть животных с разными "поведенческими" генами, можно составить представление о характере наследования способности к обучению, а возможность выращивать потом­ство в различных условиях среды помогает определить ха­рактер средовых влияний на формирование способности к обучению, что в экспериментах с человеком, естественно, невозможно.

В ряде экспериментов по обучению условной реакции избегания изучались различия между линейными животны­ми, которых помещали в специальную клетку, разделенную на два отсека В один из отсеков подавался электрический ток, вызывающий неприятные ощущения. Чтобы избежать неприятного воздействия, животное должно было перепрыг­нуть в другой, безопасный отсек клетки. Сначала животное обучается этой реакции, а затем перед включением тока по­дается сигнал в виде вспышки света, и животное постепен­но начинает реагировать на включение вспышки, а не на сам ток. Показателем скорости обучения служит число вспы­шек, необходимое для формирования условной реакции из­бегания. Оказалось, что инбредные линии мышей значи­тельно отличаются по скорости обучения. Скрещивание ли­ний с высокой и низкой скоростью обучения показало, что в основе различий лежит простой моногенный³ тип насле­дования.

Другой тип поведения, связанного с обучением, — обу­чение в лабиринте, в отличие от поведения избегания, ока­зался подвержен не только генетическим, но и средовым влияниям. Чтобы добраться до кормушки, крысам необходи­мо было преодолеть лабиринт. В исходной популяции встре­чались животные, которые быстро находили путь и делали мало ошибок, и, наоборот, такие, которые затрачивали мно­го времени и часто ошибались. Выборочная селекция в нескольких поколениях позволила выделить неперекрывающи­еся субпопуляции "умных" и "глупых" животных. Это гово­рит о том, что в исходной популяции существовала замет­ная генетическая изменчивость по способности к обучению в лабиринте.

Затем был осуществлен эксперимент, который чрезвы­чайно важен для формулировки гипотезы в отношении спо­собности к обучению у человека. Детенышей каждой из ли­ний — "умной" и "глупой" — разделили на 3 группы. Кры­сята первой группы выращивались в обычных условиях. Де­теныши из второй группы с момента рождения были лише­ны воздействия тех факторов среды, которые способствуют познавательной или исследовательской деятельности, то есть росли в условиях депривации. Третья группа крысят, наобо­рот, была помещена в обогащенную среду — внутри клетки находились трапы, зеркала, туннели и другие приспособле­ния, способствующие развитию разнообразных видов актив­ности. Самое интересное — то, что межлинейные различия в этой ситуации наблюдались только в группах животных, выращиваемых в обычных условиях. Депривированные жи­вотные обеих линий одинаково плохо справлялись с лаби­ринтом, а вот животные, росшие в сенсорно-обогащенной среде, независимо от принадлежности к линии, почти оди­наково хорошо обучались поведению в лабиринте (рисунок 5.8). Из этого опыта следует, что депривация в раннем воз­расте отрицательно сказывается на способности к обучению в дальнейшем, и, наоборот, сенсорно-обогащенная среда может улучшить эту способность, несмотря на существую­щие генетические различия.

Подчеркнем еще раз, что генетические различия, за­метные в одном диапазоне сред, могут не проявиться в фе­нотипе при перемещении тех же генотипов в другой диапа­зон (см. главу 4), и то, что генетическая детерминация вари­ативности признака не означает невозможности его измене­ния путем изменения среды. Здесь же хочется обратить вни­мание читателей на гипотетический график нормы реакции для интеллекта человека (рисунок 15.1), демонстрирующий критическое значение депривации для развития нормально­го интеллекта. Так что между генетическими исследованиями поведения животных и человека существует множество точек соприкосновения, и некоторые схемы эксперимента, которые мы можем осуществить на животных, позволяют формулировать и проверять наши гипотезы в отношении че­ловека.

Рисунок 5.8. Результаты обучения в лабиринте "умных" и "глупых" крыс, выросших в различных условиях (по Ф. Фогелю, А. Мотульски, 1990)

С развитием генной инженерии стали появляться прин­ципиально новые возможности исследования эффектов еди­ничных генов. В 1994 году (Capecchi M.R., 1994, цит. по Michel G.F., Moore C.L., 1995) появилась методика, позволяющая получать эмбрионы мышей, у которых один из нормальных генов полностью инактивирован. Это так называемый ген­ный нокаут. Методика является неким аналогом методов, используемых в нейрофизиологии для изучения последствий удаления отдельных областей мозга. В случае генного нокау­та изучаются последствия удаления отдельного гена, то есть фактически последствия лишения организма того генного продукта, который вырабатывается на основе изучаемого гена. Методика сложна и трудоемка, проводится в несколь­ко этапов, которые включают клонирование нужного гена в бактериях, работу с генной ДНК, внедрение измененной ДНК в эмбриональные клетки на ранних стадиях развития, раз­личные ухищрения для отбора нужных клеток, в которых произошла инактивация гена, последовательные скрещива­ния для получения поколения мышей с нокаутированным ге­ном. В дальнейшем это потомство тщательно исследуется для выявления морфологических, физиологических и пове­денческих нарушений, являющихся последствиями инакти­вации гена. К сожалению, такая сложная методика в иссле­дованиях генетики поведения во многих случаях может при­вести лишь к обнаружению достаточно тривиального плейот- ропного эффекта действия гена. Плейотропный, или множе­ственный, эффект является весьма распространенным в отно­шении влияния генов на признаки. Он означает, что генный продукт может быть включен в столь важные процессы ме­таболизма, что они существенно влияют на самые разнооб­разные признаки, в том числе и на поведение. Однако даль­нейшее развитие метода генного нокаута, по-видимому, ока­жется полезным и для специфических целей генетики поведе­ния. Уже сейчас получены первые результаты, демонстрирую­щие, что утеря некоторых важных биохимических субстанций в нервной клетке в связи с нокаутом способна влиять на онто­генетическое формирование соматосенсорной системы мыши.

В настоящее время методы молекулярной биологии все больше внедряются в генетику поведения. Одним из них является метод картирования сцепления.

Выводы

1. В силу общности многих генетических и поведенчес­ких особенностей человека и других млекопитающих возмож­но в модельных экспериментах на животных исследовать гене­тические механизмы поведения человека.

2. Преимуществом экспериментов на животных явля­ется возможность целенаправленного скрещивания и произ­вольного варьирования условий среды, что невозможно осу­ществить в экспериментах с людьми.

3. Инбридинг по поведенческим признакам показывает, что возможно получать особи с контрастными генотипами, различающиеся по особенностям поведения. Это говорит о су­ществовании генетических основ изменчивости поведенческих характеристик.