216

Воробйова Л.І., Тагліна О.В., Волкова Н.Є.

Генетика поведінки

Підручник для вищих навчальних закладів

Харків 2012

Генетика поведінки

Частина І. Загальні питання генетики поведінки.

Глава 1. Вступ до генетики поведінки тварин.

1. Предмет, мета, завдання, методи та місце генетики поведінки у системі біологічних наук.

2. Історія розвитку генетики поведінки як науки.

3. Поняття ознаки у генетиці поведінки.

4. Методи оцінки ознак поведінки (поведінкове фенотипування).

5. Деякі принципи генетичного аналізу поведінки.

Глава 2. Шляхи реалізації генетичної інформації на рівні поведінки.

2.1. Генетика морфологічних особливостей нервової системи та їх зв'язок з мінливістю ознак поведінки.

2.2. Зв'язок поведінки з деякими біохімічними показниками.

2.3. Гормональна регуляція мінливості ознак поведінки та ендокринологічна генетика.

Частина ІІ. Спеціальна генетика поведінки представників деяких таксономічних груп.

Глава 3. Генетика поведінки бактерій.

3.1. Генетичні засади соціальної поведінки бактерій.

3.2. Генетика хемотаксису бактерій.

3.3. Самоідентифікація та взаємне упізнавання бактерій.

Глава 4. Генетика поведінки одноклітинних тварин.

4.1. Особливості поведінки одноклітинних тварин.

4.2. Генетика поведінки інфузорій.

4.3. Генетика поведінки Dictyostelium discoideum.

Глава 5. Генетика поведінки безхребетних тварин.

5.1. Генетика поведінки круглих черв’яків.

5.2. Генетика поведінки молюсків.

5.3. Генетика поведінки комах.

5.3.1. Комахи як об’єкт генетики поведінки.

5.3.2. Вплив окремих генів на поведінку комах.

5.3.3. Деякі аспекти генетики поведінки суспільних комах.

5.3.4. Генетичні засади нейрогуморальної регуляції поведінки комах.

5.3.5. Еволюційні аспекти поведінки комах.

Глава 6. Генетика поведінки дрозофіли.

6.1. Історія вивчення поведінкових мутацій дрозофіли.

6.2. Зорові мутації дрозофіли.

6.3. Мутації рухової системи дрозофіли.

6.4. Температурочутливі мутації дрозофіли.

6.5. Мутації, що порушують циркадні ритми дрозофіли.

6.6. Мутації, що змінюють статеву поведінку дрозофіли.

6.7. Використання мозаїків для виявлення структур, що порушені при поведінкових мутаціях.

6.8. Метод локалізації фокусу дії мутації на карті презумптивних органів дрозофіли.

6.9. Селекційно-генетичний метод у аналізі поведінки дрозофіли.

Глава 7. Феногенетика поведінки птахів.

7.1. Птахи як об’єкт генетичного аналізу поведінки.

7.2. Модифікація деяких форм уродженої поведінки птахів залежно від умов оточуючого середовища.

7.3. Імпринтинг та його роль у постнатальному онтогенезі виводкових птахів.

7.4. Гібридологічний аналіз поведінки птахів.

7.5. Окремі гени та ознаки поведінки птахів.

7.6. Еволюційна модифікація поведінки птахів.

Глава 8. Генетика поведінки ссавців.

8.1. Генетика поведінки собак.

8.2. Генетика поведінки гризунів.

8.3. Генетика поведінки кішок.

8.4. Генетика поведінки коней та великої рогатої худоби.

8.5. Генетика поведінки лисиць.

Частина І. Загальні питання генетики поведінки.

Глава 1. Вступ до генетики поведінки тварин.

1. Предмет, мета, завдання, методи та місце генетики поведінки у системі біологічних наук.

Поведінка – один з найважливіших засобів активного пристосування тварин до різноманіття умов оточуючого середовища. Воно забезпечує виживання та успішне відтворення, як окремої особини, так і виду в цілому.

Поведінкою називають активність живого організму, що направлена на взаємодію з оточуючим середовищем. Зазвичай під поведінкою розуміють таку поведінку, яка проявляється зовні, тобто ті дії, що можуть бути помічені спостерігачем. У найбільш загальному розумінні, поведінка – це відгук, що формується організмом, у відповідь на сигнали, які поступили до нього від навколишнього середовища.

Поведінка тварин на організмовому та надорганізмовому рівнях стала самостійним предметом наукового дослідження наприкінці ХІХ сторіччя. Термін «поведінка тварин» був уведений у якості наукового терміну у 1898 році зоологами Ч. Уітманом та К.Л. Морганом.

Дослідження поведінки тварин розпочалось одночасно у межах трьох дисциплін: зоології, психології та фізіології. Зоологи зосередились головним чином на вивченні видоспецифічної поведінки тварин; психологів цікавила поведінка тварин у зв’язку з проявою тих чи інших психічних здібностей; фізіологи ж вивчали нейрофізіологічні механізми поведінки. З кінця ХІХ сторіччя вся сфера дослідження поведінки та психіки тварин отримала назву «зоопсихологія».

До середини ХХ століття в області вивчення поведінки тварин сформувались два провідних напрямки: американська школа порівняльної психології та європейська школа етології.

Напрямок порівняльної психології припускав, що поведінка тварин майже цілковито формується зовнішнім середовищем у процесі «навчання» та представляє собою поєднання небагатьох безумовних та різноманітних умовних рефлексів. Представники етологічної школи вважали, що поведінка тварин є генетично фіксованою, уродженою. Вони також стверджували, що ця поведінка заснована на складних механізмах, які не можуть бути зведені лише до рефлексів. З часом обидва напрямки почали здійснювати активний обмін ідеями та взаємно запозичувати методи дослідження.

На рубежі 70-х років ХХ століття з'явились ще два напрямки у дослідженні поведінки тварин – соціобіологія та поведінкова екологія. Сформувався інтерес до вивчення розвитку поведінки у онтогенезі.

Таким чином, поведінка тварин здавна привертала увагу біологів. Їм цікавились зоологи, екологи, фізіологи, психологи. Поведінка стала предметом вивчення етології та зоопсихології, а з появою науки генетики, вона стала також об’єктом генетичного аналізу.

Генетика поведінки – порівняно молода область знань, що сформувалась на стику генетики, біології розвитку та комплексу наук про поведінку (психологія, зоопсихологія, етологія, екологічна фізіологія, тощо). Вона є, за своєю природою, міждисциплінарною областю знань.

Таким чином, генетика поведінки – це інтегрований напрямок науки, предметом якого є вивчення онтогенезу широкого класу біологічних функцій організму, які називають «поведінкою».

У своєму розвитку генетика поведінки виявилась пов’язаною з такими науками як нейрофізіологія, ендокринологія, психіатрія, біохімія, антропологія, селекція, еволюційна біологія та багатьма іншими науками, фактично згуртувавши всі ці науки навколо своєї проблематики.

Основною метою генетики поведінки є з’ясування ролі генетичних факторів у визначенні особливостей поведінки. Досягнення цієї мети пов’язане з вирішенням низки завдань:

• Визначення відносної ролі та взаємодії генетичних факторів і факторів середовища при формуванні поведінки у онтогенезі;

• Вивчення успадкування стереотипних форм адаптивної поведінки;

• Дослідження механізмів дії генів, які визначають розвиток нервової системи;

• Дослідження механізмів реалізації дії мутантних генів, що змінюють функції ЦНС;

• Вивчення генетико-популяційних механізмів формування поведінки та її змін у процесі мікроеволюції.

Важливою проблемою генетики поведінки стало з’ясування відносного внеску спадковості та впливу навколишнього середовища у формування поведінкового фенотипу. Генетики погоджувались з тим, що будь-яка форма поведінки є генетично детермінованою нормою реакції на середовище. Але для них важливо було визначити відносний внесок генетичних факторів та факторів середовища у розвиток різних форм поведінки.

Було виявлено, що у різних умовах навколишнього середовища можуть виникати різні поведінкові ефекти, оскільки під впливом середовища генетичні відмінності можуть не тільки змінюватись, але й цілком пригнічуватись. Хоча генотип тварини лишається постійним упродовж життя, її поведінкові ознаки можуть суттєво змінюватись у онтогенезі. Імовірно також, що відносний внесок генотипу до індивідуальних відмінностей може змінюватись у процесі розвитку організму. Змінюється він і в процесі еволюційного розвитку. Будучи жорстко генетично детермінованою у просто організованих тварин, поведінка, у міру просування організмів по щаблях еволюційного розвитку, поступово звільняється від «диктату окремих генів», набуває більшої пластичності, залежності від навколишнього середовища, що забезпечує адаптаційні можливості виду в умовах, які постійно коливаються і змінюються. Це не означає, що спадковість втрачає контроль над поведінкою, але форми цього контролю істотно змінюються, забезпечуючи еволюційні вигоди для виду в цілому.

Треба зауважити, що термін «середовище» в генетиці поведінки включає в себе безліч факторів, які впливають на всіх рівнях організації живого: молекулярному, клітинному, тканинному, організмовому, надорганізмовому.

До основних напрямків вивчення генетики поведінки відносяться:

• Вивчення детермінації онтогенезу поведінки та генетичної детермінації поведінкових реакцій на рівні цілого організму;

• Вивчення кореляцій між деякими біохімічними та поведінковими фенотипами, виявлення фізіологічних та біохімічних каналів, через які реалізується генетична інформація на рівні поведінки;

• Вивчення ролі поведінки у мікроеволюційних процесах, а також еволюційної модифікації самої поведінки;

• Вивчення механізмів еволюційно-генетичних перетворень свійських тварин, а також аналіз кореляційних зв’язків між тими чи іншими властивостями поведінки свійських тварин та показниками продуктивності;

• Вивчення генетичних закономірностей, що обумовлюють поліморфізм спадкових захворювань нервової системи.

Існують також інші напрямки. У сучасній генетиці поведінки лідирує напрямок, що отримав назву «нейрогенетика».

Важливою є нейрогенетика – дисципліна, що розвинулась на стику генетики, нейробіології та біології розвитку. Це розділ генетики поведінки предметом якого є вивчення спадкових механізмів діяльності нервової системи.

Нейрогенетика вивчає експресію генів у зв’язку з пластичністю поведінки; займається скринінгом та позиційним клонуванням мутацій, що впливають на поведінку та функції мозку; здійснює молекулярно-генетичний аналіз когнітивних процесів; вивчає морфо генетичні, молекулярні та фізіологічні механізми розвитку і функціонування нервової системи та особливості формування нервових мереж у онтогенезі. Для цього вчені використовують молекулярно-біологічні, біохімічні, фізіологічні та морфологічні методи.

Нейрогенетики досліджують різноманітні живі об’єкти: ссавців та комах, молюсків, амфібій та інших. Але перевагу віддають найбільш вивченим з точки зору генетики тваринам таким як, наприклад, дрозофіла (Рис. 1. А.) та миша (Рис. 1.). Останнім часом широко використовуються також об’єкти, що швидко розмножуються – черв’як Caenorhabditis (Рис. 2.) та акваріумна рибка Даніо (Zebrafish) (Рис. 3.).

Рис. 1. А. Drosophila melanogaster

Рис. 1. Миша. Mus musculus

Рис. 2. Нематода Caenorhabditis elegans

Рис. 3. Zebrafish Danio rerio

Генетичні дослідження поведінки та нейрофізіологічних процесів проводяться з використанням двох підходів:

• Підхід «від гена до поведінки» припускає дослідження функції гена на молекулярному та фізіологічному рівнях з подальшим аналізом впливу цього гена на поведінку;

• Підхід «від поведінки до гена» направлений на вивчення генетичної компоненти мінливості поведінки з подальшим аналізом окремих хромосом, генних комплексів та окремих генів.

Підхід «від гена до поведінки» реалізується шляхом вивчення генів, що кодують ферменти та структурні білки, які визначають загальні та специфічні ознаки нервових клітин та клітин нейроглії. Вивчають також гени, що кодують білки, які пов’язані з функцією ЦНС як цілого. Досліджують вплив окремих локусів, що детермінують взаємодію мозку з ендокринною системою, а також генів, що беруть участь у синтезі речовин хімічної сигналізації і генів, які детермінують специфіку поведінки безхребетних тварин, особливо комах.

Підхід «від поведінки до гена» припускає використання інших експериментальних методів, що відрізняються від тих, які використовуються для аналізу роботи окремих генів. У таких дослідженнях важливим є вибір адекватної ознаки для аналізу та дотримання правил генетичного аналізу поведінки. Потрібна ознака, що представляє собою природну «одиницю» тієї чи іншої форми поведінки. Успішний пошук такої ознаки пов'язаний з нейрофізіологічними засадами поведінки.

Увагу дослідників привертали різні ознаки різних видів тварин: схильність до судом, загально збудливість, локомоторна активність, орієнтовно-дослідницькі реакції, різні аспекти репродуктивної поведінки, класичні та інструментальні умовні реакції, реактивність до фармакологічних речовин.

Для дослідження ролі генотипу у формуванні поведінки вчені частіше обирали або ті ознаки, що легко піддаються кількісному обліку (наприклад, чіткі видоспецифічні рухи), або ті ознаки, які легко можна виміряти за ступенем виразності (наприклад, рівень локомоторної активності, що вимірюється довжиною шляху, який пройшла тварина, за фіксований час).

Додаткові труднощі при проведенні генетичних досліджень викликало те, що багато ознак поведінки вельми істотно залежать від ряду зовнішніх, по відношенню до нервової системи, факторів, наприклад від сезону, гормонального фону організму, тощо. Крім того, якщо в експеримент беруться не клони, то завжди присутній ще й генетичний компонент мінливості ознак поведінки. Багато з цих ознак можуть варіювати, виявляючи фенотипову мінливість у межах норми реакції, розмах якої визначається генотипом.

Для поведінкових ознак характерна ще одна, специфічна, форма мінливості - це мінливість ознак поведінки тварин, яка пов'язана з впливом індивідуального досвіду, тобто з різними формами навчання, формуванням уявлень і т.д.

Генетика поведінки використовує найрізноманітніші методи дослідження: генетичні, молекулярно-біологічні, цитологічні, гістологічні, біохімічні, фізіологічні, морфологічні та інші методи суміжних наук. Основною групою методів, безумовно, є генетичні.

Методи вивчення генетики поведінки удосконалювалися з розвитком математичних прийомів для оцінки кількісних ознак. Саме кількісна природа багатьох поведінкових ознак дозволяє широко використовувати в генетиці поведінки класичні методи кількісної генетики та селекції. Наприклад, аналіз фенотипової варіанси, розкладання її на паратиповий і генотиповий компоненти; розкладання генотипової компоненти на складову, що фіксується (обумовлену адитивною взаємодією), і складову, що не фіксується (залежну від домінування або епістатічної взаємодії).

Однак застосування методів кількісної генетики для аналізу поведінки пов'язане зі значними труднощами, оскільки багато поведінкових ознак не піддаються кількісній оцінці.

Класичний гібридологічний аналіз у генетиці поведінки застосовується обмежено, а ось його модифікація – диалельні схрещування - знайшла дуже широке застосування. Цей метод дозволяє аналізувати результати системи множинних схрещувань між собою кількох ліній тварин. Сутність методу полягає в оцінці середніх величин ознаки та їх дисперсії у тварин декількох (мінімум трьох) інбредних ліній, а також гібридів усіх можливих поєднань. Результатом використання даного методу є отримання величин компонентів дисперсії і величин, що характеризують рівні коваріації ознак у різних генетичних груп.

Окрім даних щодо характеру генетичної мінливості ознаки поведінки, результати диалельних схрещувань іноді дозволяють отримати інформацію, суттєву для розуміння фізіологічних процесів, що лежать в основі прояву цієї ознаки.

Вивчення генетики поведінки об'єктів, спеціальна генетика яких добре вивчена, дає можливість проведення подальших етапів генетичного аналізу: розкладання генетичної мінливості на компоненти, що залежать від внеску окремих груп зчеплення.

Генетика поведінки використовує також селекційні методи. Перші селекційні експерименти були присвячені дослідженню здатності щурів до навчання в лабіринті. Сучасні вчені здійснюють селекцію за багатьма ознаками поведінки: це рухова активність, рівень емоційної реактивності, статева поведінка, алкоголь-залежна поведінка, та інші.

Основні результати селекційних експериментів полягають у створенні контрастних за особливостями поведінки ліній тварин. Наявність таких ліній має особливу цінність у генетичних дослідженнях поведінки, оскільки, з одного боку, дозволяє направлено комбінувати зафіксовані шляхом відбору генотипи, а з іншого - дає можливість застосовувати перехресне виховання і оцінювати постнатальні материнські ефекти.

Однак при доборі за складними ознаками поведінки, у реалізації яких беруть участь різні фізіологічні системи (сенсорні, асоціативні, ефекторні), селекційний метод виявляється недостатнім.

Широко вживаною моделлю в генетиці поведінки тварин є створення інбредних ліній. Інбредні лінії представляють собою популяції практично ідентичних генетично особин, отримані шляхом схрещування повних братів і сестер у низці поколінь. Останнім часом дослідники навчилися отримувати інбредні лінії шляхом клонування.

Генетики вивчають генетично ідентичні лінії в різних умовах. Оскільки всі особини інбредної лінії вважаються генетично однаковими, відмінності, що спостерігаються в їх поведінці, можуть бути обумовлені пренатальними або постнатальними факторами навколишнього середовища.

Інформація, яку можна отримати в результаті простого порівняння інбредних ліній, що відрізняються особливостями поведінки, досить суперечлива. Тому вчені зайняті пошуком кореляційних зв’язків між поведінковими ознаками та нейрофізіологічними та біохімічними ознаками.

Сучасний етап розвитку науки збагатив генетику поведінки такими методами як метод рекомбінантних інбредних ліній (РІЛ) та метод порівняння характеру розподілів значень різних ознак у групі РІЛ (strain distribution pattern), метод QTL (quantitative trait loci) аналізу, методи створення та дослідження мозаїчних та химерних тварин, методи створення трансгенних організмів і тварин-нокаутів.

Метод рекомбінантних інбредних ліній у ряді випадків дозволяє виявити невелике число «головних» генів, що забезпечують найбільший внесок у мінливість даної полігенної ознаки, а також надати інформацію про їх локалізацію в хромосомі.

Активний розвиток молекулярно-біологічних методів і накопичення даних, отриманих з їх допомогою, дозволило істотно вдосконалити метод РІЛ і успішно проводити картування локусів кількісних ознак (QTL аналіз).

Ще однією технологією, яка суттєво підвищила ефективність аналізу ознак зі складним характером успадкування, є аналіз мікрочіпів (microarray analysis), метод, який дозволяє досліджувати тисячі генів одночасно. Використання цього методу передбачає екстрагування тотальної геномної ДНК організму. Екстракт наноситься на певні ділянки чіпу, попередньо витриманого в розчині, що містить мічені флуоресцентною міткою молекули РНК, які експресуються в певних типах клітин. Якщо певний ген експресується в клітинах, з яких було отримано тотальну ДНК, молекули РНК з розчину комплементарно з ним зв'язуються (гібридизуються), що призводить до свічення відповідного сегмента. Чим сильніша експресія гена, тим яскравіша флуоресценція.

Використовуються в генетиці поведінки і мутаційні моделі, оскільки оперуючи одним геном, дослідник має більше можливостей для з'ясування механізмів впливу цього гена на ознаки поведінки. При цьому використовують кілька підходів. Один з них - це вивчення поведінкових ефектів вже відомих мутацій, наприклад тих, для яких вже з'ясований біохімічний механізм прояву, наприклад, блокування активності певних ферментів. Другий підхід передбачає дослідження відомих, або виділення нових, нейрологічних мутацій.

Зростання інтересу до еволюційної та популяційної генетики поведінки, стимулювало посилення тенденції використання у дослідах диких тварин. У подібних дослідженнях вивчають відмінності поведінки, що виникли в результаті біологічної спеціалізації близьких видів тварин або внутрішньовидової дивергенції, і використовують методи еволюційної та популяційної генетики.

Цікаві результати були отримані при вивченні генетики поведінки з використанням методу нокаутів (knockout study). Цей метод добре розроблений для застосування на мишах, але для більш великих ссавців він розроблений слабо, і зовсім не може бути застосований у дослідженнях ознак людини. Метод нокаутів передбачає інактивацію конкретного гена в стовбурових клітинах. Ці клітини потім поміщають в ембріон, який імплантують у матку самиці. Гамети особин, які народилися, перевіряють на наявність вимкненого гена. І тих, які його мають, використовують у подальшій селекції для отримання лінії мишей-нокаутів, тобто лінії всі тварини в якій мають брак конкретного гена. Поведінку цих тварин порівнюють з інтактними. Якщо поведінка відрізняється, роблять висновок про те, що досліджуваний ген впливає на дану поведінкову реакцію.

За допомогою методу нокаутів можна вставляти або інактивувати навіть невеликі сегменти ДНК, для визначення функції складових частин гена. Дослідники також можуть пересувати ген з однієї точки геному в іншу, щоб зрозуміти, яким чином місце розташування гена впливає на його експресію.

Серед поведінкових ознак миші, вивчених методом нокаутів – рухова активність, дослідницька поведінка, здатність до навчання і пам'ять, соціальні взаємодії і стрес-відповідь.

Для аналізу поведінкових ознак людини активно і успішно використовуються класичні методи генетики людини: сімейний (генеалогічний) аналіз, метод близнюків, метод прийомних дітей, аналіз зчеплення, аналіз асоціацій.

Незважаючи на різноманітність методів, історично склались всього декілька підходів, що використовуються у генетиці поведінки та при аналізі успадкування поведінкових ознак.

Перший підхід полягає у визначенні поведінкових розходжень між різними лініями того ж самого виду або між тісно спорідненими видами.

Другий підхід пов'язаний з селекцією тварин за певними ознаками поведінки.

Третій підхід передбачає вивчення впливу окремих генів на поведінку.

Але при будь-якому з цих підходів вчені, які займаються генетикою поведінки, стикаються з однаковими труднощами.

Перша складність стосується уніфікації умов експерименту. Відмінності в життєвому досвіді, накопиченому тваринами до експерименту, впливають на їх поведінку під час експерименту. Тому необхідним є ретельний контроль практично всіх умов експерименту, це є абсолютно необхідною умовою в дослідженнях з генетики поведінки.

Друга складність пов'язана з об'єктивізацією вимірювань. Елемент суб'єктивності, який може бути зведений до мінімуму при аналізі біохімічних, фізіологічних і морфологічних ознак, серйозно впливає на дослідження в галузі генетики поведінки.

І, нарешті, вчені, які займаються генетикою поведінки, стикаються з явищами навчання і розумової діяльності, у той час як в інших областях генетики з цим зазвичай справи не мають. Цю обставину можна вважати найбільш істотною унікальною особливістю генетики поведінки як специфічної галузі генетики.

Вивчати генетичні основи поведінки складно, перш за все, тому, що для поведінкових ознак характерна широка норма реакції та висока онтогенетична лабільність. Тому генетика поведінки не надбала ще тієї стрункості і логічної структурованості, що характерні для інших областей генетики. Але вона тісно взаємодіє з ними, об'єднуючи навколо своєї тематики безліч суміжних наук. Ця інтеграційна функція і визначає місце генетики поведінки серед інших генетичних наук.

2. Історія розвитку генетики поведінки як науки.

Ще у IV столітті християнський філософ та богослов Аврелій Августин, спостерігаючи за поведінкою рибок у акваріумі, звернув увагу на те, що особливості поведінки риб передаються від батьків нащадкам. Спочатку Аврелій Августин помітив, що є «розумні» рибки, які швидко навчаються, та «дурні», які погано міркують та повільно навчаються. Вже потім він з’ясував, що нащадки рибок навчались так само, як їхні батьки: діти «розумних» – були «розумними», діти «дурних» – були «дурними».

Науковими спостереження Аврелія Августина, звісно, не були, але він набагато випередив свій час – у науці цікавість до спадковості з’явився лише тільки у XVIII столітті.

Рис. 1.4. Августин Аврелій (354-430 рр.)

Початком вивчення генетики поведінки можна вважати роботи Френсіса Гальтона – двоюрідного брата Чарльза Дарвіна по діду – Еразмусу (Еразму) Дарвіну.

Френсіс Гальтон був вундеркіндом. У півтора роки він знав алфавіт, у два з половиною – почав читати, а у три – писати. У чотири роки він вже знав напам’ять вірші латиною, арифметику та трохи французьку мову, а у шість – всю англійську класичну літературу, враховуючи Шекспіра. Прочитавши сторінку двічі, він міг повторити її слово в слово напам'ять.

Коло інтересів Гальтона було надзвичайно широким. Замолоду він багато подорожував, займався етнографією і географією людини, вивчав спадковість людини, його талант і здібності, розробив методику генеалогічного аналізу. Саме він вперше використав метод дослідження близнюків у біології та психології, так званий «аналіз близнюків».

Гальтон зробив вагомий внесок у теорію статистики і застосував статистичний аналіз в біології людини і психології. Гальтона вважають одним з основоположників експериментальної психології. Він першим ввів у використання психологічні тести і опитувальники, розробив антропометрію – дослідження людини шляхом вимірювання його зовнішніх анатомічних ознак, займався дактилоскопією – дослідженням шкірних папілярних візерунків. Гальтон є засновником науки євгеніки.

У 1865 році Гальтон опублікував статтю «Спадковий талант і характер», а чотирма роками пізніше, в 1869 році, фундаментальну монографію «Hereditary genius», що перекладають як «Спадковість таланта» або «Спадковий геній».

Гальтон вважав, що психічні властивості людини успадковуються, так само як і фізичні. Він писав про рівний внесок батька і матері в спадковість дітей.

Гальтон вивчив біографії близько чотирьохсот талановитих людей і прийшов до висновку про успадкування здібностей і таланту. Спадковими, на думку Гальтона, є не тільки здібності і талант, але й інші психічні і біологічні властивості: схильність до пияцтва, до бродяжництва, до туберкульозу, хвороб серця і до довголіття, а також мораль і релігія.

Гальтон висунув «теорію кореня», яка передбачила ідею Вейсмана про «зачатковий шлях», тобто ідею про розгортання генетичної програми, що міститься в статевих клітинах.

У ті часи погляди Гальтона були досить незвичайними, тому що більшість його сучасників, в тому числі його товариш Герберт Спенсер і його двоюрідний брат Чарльз Дарвін, вважали, що у формуванні організму більшу чи навіть провідну роль відіграють фактори навколишнього середовища.

Для доказу провідної ролі спадковості у формуванні організму Гальтон створив і використав метод близнюків. Він першим розрізнив два типи близнюків: монозиготних та дизиготних. Вивчаючи монозиготних близнюків, Гальтон виявив, що ознаки схожості не слабшають з віком: немолоді монозиготні близнюки так само схожі один на одного, як і у дитинстві. Вони навіть хворіють на одні й ті самі хвороби. Що ж стосується психологічної подібності, Гальтон наводить у якості її доказу один анекдотичний приклад: два близнюки купили на день народження один одному в подарунок однакові келихи для шампанського, причому один з них зробив цю покупку в Англії, а інший - в Шотландії.

Гальтон вважав, що спадковість значно важливіше ролі факторів навколишнього середовища. Він став засновником науки про етіологію індивідуальних відмінностей.

Коло питань, котрим сер Гальтон присвячував свій час, було надзвичайно широке; він був дуже ерудованою людиною, але для появи генетики поведінки необхідною була поява власне науки генетики, яка виникла на рубежі ХІХ і ХХ століття. Серйозно зайнятися вивченням впливу спадкових факторів на поведінку вчені змогли тільки після 1900 року.

Рис. 1.5. Френсіс Гальтон (1822-1911)

Офіційною датою народження генетики поведінки вважають 1960 рік. Але, тим не менш, перша експериментальна робота з генетики поведінки була проведена вже у 1913 році американською дослідницею Адою Йеркс, яка вивчала спадкування комплексу злостивості, лякливості і дикості у щурів. Однак ця робота була на той час єдиною у своєму роді.

На початку ХХ століття дослідження поведінки, з одного боку, і генетичні дослідження, з іншого, велися практично незалежно одне від одного. Генетики були зайняті вивченням успадкування ознак, що легко виявляються, в першу чергу морфологічних і анатомічних відмінностей між тваринами, і не досліджували генетично обумовлені компоненти особливостей поведінки. Одна з причин цього полягала в тому, що вимірювання поведінкових ознак, порівняно з морфологічними, представляло і представляє значні труднощі.

Однак з часом з'явились теоретичні та експериментальні дані, необхідні для об'єднання генетичного і психологічного підходів у вивченні поведінки. У 1915 році Альфред Стертевант, один із співробітників знаменитої «дрозофіліної» лабораторії Колумбійського університету, якою керував Томас Гент Морган, описав відмінності статевої активності самців з різних генетичних ліній Drosophila melanogaster. У певному сенсі ці перші експериментальні дослідження поведінки дрозофіли були «побічним продуктом» генетичних та еволюційних досліджень, які насамперед переслідували інші самостійні цілі.

Рис. 1.6. Томас Гент Морган (1866-1945)

Дослідження плейотропного ефекту мутацій, що впливають на колір тіла і очей, були першими в області генетики поведінки дрозофіли. Досліди Стертеванта з вивчення впливу на статеву активність і вибірковість парування рецесивних мутацій, що порушують пігментацію очей (white, vermilion) та тіла (yellow), та змінюють форму крил (curved) показали суттєве зниження здатності до залицяння мутантних самців порівняно з самцями дикого типу.

Рис. 1.7. Альфред Стертевант (1891-1970)

У 10-х роках ХХ століття з'явилась ціла низка праць, в основному Ф. Добржанського, Е. Майра та їх співробітників, з репродуктивної ізоляції між багатьма виявленими тоді расами і видами дрозофіли. Приблизно у той же час були описані і поведінкові відмінності між генетичними типами деяких гризунів, в основному домової миші.

Так поступово почали накопичуватися дані, які були отримані генетичними методами і мали відношення до поведінкових реакцій. Але генетика поведінки як самостійний науковий напрям ще на той час не сформувалася.

Рис. 1.8. Феодосій Добржанський (1900-1975)

Рис. 1.9. Ернст Майр (1904-2005)

У 1923 році вийшла в світ відома робота академіка І.П. Павлова «Новые исследования по условным рефлексам», у якій автор висловив думку про те, що надбані протягом життя умовні рефлекси можуть передаватися у спадок нащадкам, перетворюючись з часом на уроджені, безумовні рефлекси.

Інший російський вчений, М.К. Кольцов, виступив з різкою критикою уявлень І.П. Павлова щодо спадкової передачі набутих ознак, у даному випадку умовних рефлексів. Кольцов відзначив, що Павлов ніколи не працював у галузі генетики, і не уявляє собі всю складність генетичної проблематики. І.П. Павлов був змушений погодитися з критикою та відмовитися від свого припущення. Це була перша серйозна полеміка з питань наслідування навичок поведінки.

Рис. 1.10. І.П. Павлов (1949-1936)

Рис. 1.11. Микола Костянтинович Кольцов (1872-1940)

Значну роль у формуванні генетичного підходу до аналізу поведінки тварин зіграли роботи співробітників спеціальної генетичної лабораторії в США, так званої Джексонівської лабораторії у штаті Мен. Ця установа – всесвітньо відомий центр, заснований у 1929 році генетиком Кларенсом Куком Літлом. Лабораторія планувалась як центр досліджень з генетики ссавців. Там і тепер підтримують велику кількість інбредних і відселектованих ліній мишей, з якими працюють учені-генетики всього світу. Історія цієї лабораторії така.

Кларенс Кук Літл (1888-1971) у 1909 році, працюючи в Гарвардському університеті, одержав першу інбредну лінію мишей, придатну для генетичних досліджень. Це лінія DBA, що існує донині. Миші цієї лінії мають світло-коричневе забарвлення.

Робота Кларенса Літла щодо виведення інбредної лінії зайняла кілька років. Подібну селекцію провели до Літла ще в XIX столітті любителі мишей у Японії. Вони шляхом близькоспоріднених схрещувань закріпили в потомстві мишей мутацію, що викликала порушення роботи гіпофіза та вестибулярного апарата. Внаслідок цього миші часто починають швидко крутиться на одному місці. Ця порода отримала назву «мишей, що танцюють».

У 1929 році Кларенс Літл заснував у місті Бар-Харбор (штат Мен) Джексонівську лабораторію, що стала центром досліджень з генетики та, водночас, базою виведення чистих ліній мишей. Власну назву вона одержала на честь Роско Джексона – голови автомобільної компанії Hudson Motor Car, що фінансувала створення лабораторії.

До 1944 року Джексонівська лабораторія вже поставляла щотижня 9000 мишей до інших лабораторій США. У ній же проводили дослідницькі роботи. У 1947 році під час пожежі лабораторія була втрачена, але її швидко відбудували, а поголів'я мишей було поновлено з тварин, яких надіслали вчені з усього світу, які раніше отримували мишей із Джексонівської лабораторії.

На даний час Джексонівська лабораторія – всесвітньо відомий науковий центр, де проводяться дослідження з багатьох напрямків, наприклад, з генетики ссавців і онкологічних захворювань. Одночасно ця лабораторія служить великим центром підготовки фахівців з молекулярної біології. І, звичайно ж, Джексонівська лабораторія, як і раніше, залишається лідером у вирощуванні лабораторних мишей: зараз вона щорічно поставляє біля двох мільйонів тварин до наукових установ всього світу.

У колекції Джексонівської лабораторії є десятки мутацій, що змінюють будову мозку та поведінку. Це робить її цікавою для вчених, які займаються генетикою поведінки. Колекція надала можливість ученим різних країн скринувати безліч ліній тварин, та виявити міжлінійні відмінності поведінки та нейрохімічних ознак. Вона також стала базисом для розробки нових підходів до вивчення генетики кількісних ознак, наприклад, методів рекомбінантних інбредних ліній та картування QTL (quantitative trait loci).

У Джексонівській лабораторії згодом було зроблено чимало важливих відкриттів. Наприклад, Джордж Снелл, який там працював, за допомогою дослідів на мишах відкрив генетичні фактори, що визначають тканинну сумісність при пересадженні органів. Він відкрив область генома, названу «головним комплексом гістосумісності». Гени цієї ділянки кодують певні білки, що знаходяться на поверхні клітин, і відіграють важливу роль у роботі імунної системи. У 1980 році Джордж Снелл одержав за свої роботи Нобелівську премію.

У Радянському Союзі першим дослідженням, присвяченим генетичним основам поведінки, була робота М.П. Садовнікової-Кольцової, виконана у 20-х роках. У своїй статті «Генетический анализ психических особенностей крыс» вона показала, що серед щурів, мишей та інших тварин вдається виділити різні спадкові типи психічних здатностей, очистити їх шляхом добору протягом декількох поколінь і, потім, перейти до встановлення законів спадкування цих здатностей.

Рис. 1.12. Марія Полієвктівна Садовнікова-Кольцова

З ініціативи академіка І.П. Павлова у м. Колтуші було створено лабораторію генетики вищої нервової діяльності, завданням співробітників якої було вивчення генетичних основ індивідуальних особливостей умовнорефлекторної діяльності собак. У цій лабораторії займалися також проблемами генетичної детермінованості властивостей нервової системи та питаннями порівняльної генетики поведінки.

Генетикою поведінки займалися не тільки в Інституті фізіології ім. І.П. Павлова, але й у Інституті цитології й генетики Сибірського відділення АН СРСР, у Московському та Ленінградському університетах. Пізніше саме ці установи стали центрами вивчення генетики поведінки тварин.

Генетика поведінки спиралась на знання, отримані етологією. Етологія сформувалась як самостійна дисципліна, що вивчає поведінку тварин у 30-х роках XX століття. Етологи досліджують інстинктивну поведінку тварин, і таку властивість поведінки як здатність видозмінюватись під впливом попереднього досвіду (тобто навчання), а також здатність до розумової діяльності.

Основні положення класичної етологічної концепції містять у собі уявлення про фіксовані комплекси дій (ФКД) як одиниці інстинктивної поведінки, про схему поведінкового акту (по У. Крейгу), уявлення про «ключові» подразники та «спонтанності» поведінки, про «запам’ятовування» як особливу форму навчання, а також про співвідношення «уродженого» і «надбаного» в поведінці.

Наприкінці 50-х років нідерландський зоолог Н.Тінберген, аналізуючи шляхи розвитку й методи етології, виділив чотири напрямки досліджень:

• вивчення механізмів поведінки;

• вивчення функціональної ролі поведінки;

• вивчення індивідуального розвитку поведінки;

• вивчення еволюції поведінки.

Рис.1.13. , Рис.1.13.а. Ніколас Тінберген (1907-1988)

У процесі розвитку етології були розроблені уявлення про поведінку тварин у конфліктних ситуаціях, про еволюцію заміщуючих рухів («ритуалів» і «демонстрацій») і, нарешті, про два шляхи еволюції поведінки: на основі «відкритої» і «закритої» генетичних програм (К. Лоренц та Е. Майр). Ці уявлення дозволили по-новому підійти до проблеми уродженого та надбаного в поведінці.

Рис.1.14. Конрад Лоренц (1903-1989)

Рис.1.15. Ернст Майр (1904-2005)

Щоб дослідити роль генотипу у формуванні тієї або іншої ознаки поведінки почали активно використовувати поняття «фіксовані комплекси дій» (ФКД). У зв'язку з тим, що інстинктивні дії є стереотипними за формою та властиві всім особинам даного виду, внутрішньовидова мінливість генетично детермінованої поведінки повинна проявлятися у вигляді зміни частоти виконання цих дій, та більшої або меншої легкості їхньої провокації. Численні дослідження підтвердили, що дуже велика частка внутрішньовидових поведінкових відмінностей у тварин пов'язана зі зміною частоти певних ФКД і порога їхньої провокації.

Досить повну картину знань про поведінку тварин можуть надати відомі підручники й навчальні посібники з поведінки тварин (Р. Шовен, 1972; Р. Хайнд, 1975; К.Е. Фабрі, 1979; Н.Тінберген, 1978; Д. Дьюсбері, 1981; О. Меннінг, 1982; Д. Мак-Фарленд, 1988; Дж. Гуддол, 1992; Н.Тінберген 1993; Л.В.Крушинський, 1993; З.А. Зорина, І.І.Полєтаєва, 2000; Ж.И. Рєзнікова, 2004).

На відміну від етології, що із часу свого зародження являла собою цілісну концепцію, а вже потім поступово розділилася на ряд самостійних напрямків, генетика поведінки формувалася на основі розрізнених робіт, виконаних генетичними методами. Але загальний прогрес знань про поведінку тварин, нагромадження конкретних даних щодо генетичної мінливості будови мозку та поведінки, а також вплив ідей і методів біології розвитку призвели до того, що генетика поведінки поступово перетворилася на самостійний науковий напрямок.

Тісно пов'язана з генетикою поведінки ще одна біологічна наука – феногенетика – науковий напрямок, що зародився на початку 30-х років.

Феногенетика – це розділ генетики, що вивчає шляхи реалізації спадкової інформації в процесі індивідуального розвитку організму. Оскільки у феногенетиці важливе місце займають питання про механізми генетичної регуляції індивідуального розвитку організмів, вона тісно пов'язана з багатьма біологічними напрямками. Сучасна феногенетика – це широка область, що включає в себе вивчення молекулярних механізмів дії генів і регуляції їхньої активності, вивчення взаємодії генів і їхніх продуктів у процесі реалізації генетичної інформації, дослідження ролі спадковості та середовища у формуванні різних ознак організмів.

До початку шістдесятих років серед робіт з генетики поведінки широку популярність одержали роботи Л.В. Крушинського, C.S. Hall, T.W. Klein, С.Н. Давідєнкова.

Поряд з І.П. Павловим, К. Лоренцом і Н. Тінбергеном, які відкрили механізми інстинктів і навчання, Л.В. Крушинського, по праву, можна вважати засновником загальної теорії поведінки. Йому належить оригінальна концепція нейробіологічних засад розумової діяльності, невід'ємною складовою якої є положення класичної етології та генетики поведінки.

Рис.1.16. Леонід Вікторович Крушинський

Як учень М.К.Кольцова, М.М. Завадовського, Д.П.Філатова, які стояли біля витоків біології розвитку, Крушинський розглядав окремі проблеми нейрофізіології, генетики та етології у світлі загальнобіологічних закономірностей розвитку організму.

Разом з Л.Н. Молодкіною Крушинським була виведена лінія щурів, пізніше названою лінією КМ за першими літерами прізвищ авторів. У щурів цієї лінії у відповідь виключно на дію звукового подразника виникає ціла низка патологічних станів: епілептиформний судомний припадок, каталепсія, міоклонічний гіперкінез, гострі порушення кровообігу, що приводять до парезів і паралічів, мозкових інсультів з летальним результатом. Це зробило лінію КМ унікальною у світовій колекції лабораторних тварин.

Велику увагу Крушинський приділив вивченню впливу генотипу на здатність до елементарної розумової діяльності. Із цією метою проводилися експерименти на тваринах диких і доместикованих форм (досліди М.М.Сотської та Л.М. Кузнєцової), на тваринах зі зміненим каріотипом: ди- і триплоїдних формах риб (роботи Н.Б. Астаурової), а також на мишах з Робертсонівськими транслокаціями (експерименти І.І. Полєтаєвої та Л.Г. Романової, за участю В.С. Баранова та А.П.Дибана).

Ці експерименти показали, що розумова діяльність багато в чому обумовлена генотипом і перебуває в прямій залежності від рівня організації нервової системи тварини, морфофізіологічних особливостей мозку та тонкої будови окремих його нейронів, а здатність до розумної діяльності починає проявлятися в онтогенезі лише після завершення процесу мієлінізації нервових волокон.

Давідєнков С.М., найвидатніший невропатолог і генетик людини, ще в 1925 році стверджував, що раціональна класифікація спадкових хвороб повинна бути «каталогом генов, а не фенотипических различий». Саме його роботи зіграли визначну роль у розвитку клінічної нейрогенетики, особливо монографія «Эволюционно-генетические проблемы в невропатологии», видана в 1948 році.

Дослідження О.М. Промптова стосовно поведінки птахів, виконані з використанням класичного методу генетики – гібридологічного аналізу, руйнували протиставлення «уродженого» і «надбаного» у поведінці. Отримані результати показали, що поведінка – це результат онтогенетичного розвитку, і будь-яка її форма, зокрема, у птахів (будівництво гнізд, харчування, турбота про потомство) являє собою своєрідний сплав різних рухових актів. Деякі з цих актів не піддаються модифікації в онтогенезі особини, їх Промптов назвав «моторними координаціями», жорстко обумовленими генотипом.

Роботи Промптова на той час були унікальними. Дж. Хаксли, який відвідав у 1945 році Колтуші та ознайомився із цими дослідженнями, писав: «Це, я думаю, єдина у світі робота, присвячена генетиці поведінки диких видів птахів».

Рис.1.17. Олександр Миколайович Промптов

Варто також згадати про оригінальні генетичні дослідження Р.А. Мазінг, яка вивчала прояв деяких морфологічних мутацій дрозофіли (Bar, eyeless, white та інших). Виявилось, що поведінка мух, а саме їхня реакція на світло та вибір місця для відкладання яєць, при цих мутаціях залежать від загального генетичного тла лінії, яка несе мутацію.

До початку 60-х років успіхи генетики поведінки залишалися досить скромними, очевидно в силу великої складності самого предмета вивчення та відсутності ефективних генетичних підходів. Підсумки всього цього періоду досліджень підбиті в монографії Дж. Фуллера та У. Томпсона «Генетика поведінки», а також у монографії Л.В. Крушинського «Формирование поведения в норме и патологии».

Початком самовизначення генетики поведінки зазвичай вважають 1960 рік – рік публікації першої узагальнюючої монографії американських учених Дж. Фуллера та У.Томпсона «Генетика поведінки». Обидва автори за своєю освітою не були генетиками, але, досліджуючи поведінку, чітко усвідомили значення генетичного підходу. Не застосовуючи складних генетичних міркувань, вони змогли переконливо обґрунтувати необхідність оцінки ролі генотипу у формуванні поведінки. Автори писали: «Прийшов час послідовно викласти сучасний стан розділу знань, що ми називаємо «генетикою поведінки». Робота ця не претендує на повноту та завершеність, оскільки дана область досліджень перебуває зараз на стадії динамічного розвитку».

Ще однією працею, важливою для становлення цього напрямку, стала монографія Дж. Скотта та Дж. Фуллера з генетики поведінки собак, що була написана в результаті 12-літніх досліджень чистокровних порід собак і гібридів.

Дж. Скотт у 1966 році знайшов суттєві відмінності між породами собак по спадкуванню реакції гавкоту. Так, кокер-спанієлі гавкають дуже часто, а африканські мисливські собаки бейсенджі майже не гавкають. Учений пояснив ці відмінності різним генетично детермінованим порогом реакції собак на зовнішні подразники. У спанієля він дуже низький, а в бейсенджів, навпаки, високий. Гібриди першого покоління близькі за реакцією гавкоту до спанієлів, отже, саме ця реакція (низький поріг чутливості) є домінантною ознакою.

Дослідження з генетики поведінки величезної більшості інших видів почалися в сімдесяті роки ХХ століття. Численні роботи, спрямовані на ідентифікацію й вивчення мутацій, що впливають на реакції найпростіших і нервову систему нематод, прямокрилих (комахи) та інших організмів, вилилися в новий напрямок досліджень - нейрогенетику. Виникла генетика поведінки бактерій, основним об'єктом якої стали мутанти, які демонструють різний ступінь аттрактивності до тих чи інших хімічних речовин. Почала формуватися еволюційна генетика поведінки. Таким чином, генетика поведінки почала диференціюватися на окремі наукові напрямки.

У Інституті цитології й генетики Сибірського відділення АН СРСР (м. Новосибірськ) під керівництвом академіка Д.К. Бєляєва в 60-і роки були розпочаті експерименти з генетики поведінки сріблясто-чорних лисиць. На біологічному факультеті МДУ в лабораторії фізіології і генетики поведінки проводилися дослідження з генетики поведінки щурів. Досліджували роль генотипу у формуванні складної адаптивної поведінки – здатності тварин до екстраполяції напрямку руху стимулу.

Відбилися на генетиці поведінки також роботи цитолога Хольгера Хідена, проведені в 60-і роки. Завдяки цим дослідженням виникло уявлення про так звані молекули пам'яті. Хіден розробив метод, що дозволяє аналізувати кількість РНК і, навіть, її якісний склад в окремих ізольованих нервових клітинах. У дослідах з навчання пацюків X. Хіден і його співробітники виявили, що кількість РНК у тих нейронах щурів, які приблизно мають відношення до даної форми навчання, збільшується, а її якісний склад змінюється. Учені прийшли до висновку, що в ході навчання активуються ті гени, що раніше «мовчали», які й синтезують нову інформаційну РНК (мРНК), що є носієм пам'яті – молекулою пам'яті. Але згодом, нажаль, ця досить приваблива гіпотеза не підтвердилася. Методика визначення якісного складу РНК, розроблена X. Хіденом, виявилася занадто грубою та не відповідала реальної ситуації, що спостерігалася в клітині. Коли з'явилася більше точна методика, виявилося, що якісних змін РНК у нейронах при навчанні не відбувається, і можуть мати місце лише зміни кількісного співвідношення різних фракцій мРНК, що вже існували в клітині.

Подальші дослідження показали, що спостережувані в процесі навчання кількісні зміни транскрипції у клітинах мозку відбивають зміну функціонального стану нейронів і не є чимсь специфічним для процесів навчання. Антибіотики ж можуть блокувати процеси синаптичної передачі імпульсів від нейрона до нейрона і викликати фізіологічні порушення функціонування мозку незалежно від стану роботи генетичного апарата клітин.

Виявилось, що генетичні механізми регуляції поведінки закладені, як і припускав на початку століття великий іспанський нейрогістолог, лауреат Нобелівської премії Рамон-І-Кахал, у структурі нейронних ансамблів, особливостями формування яких в онтогенезі й управляють гени. Оскільки запам'ятовування часто відбувається миттєво, цілком ймовірно, що фізіологічною основою цієї події є прориви раніше не функціонувавших синаптичних контактів між нейронами, що включені у виконання даної поведінкової реакції.

Вагомі результати в області генетики поведінки були отримані в 70-х роках на таких об'єктах як дрозофіла, інфузорія (Paramecium aurelia), нематода (Caenorhabditis elegans), а також на бактеріях.

Великий внесок у генетику поведінки був зроблений відомим фахівцем в області генетики тварин і генетичних основ еволюції, професором кафедри генетики й селекції Санкт-Петербурзького університету Леонідом Зіновійовичем Кайдановим.

Л.З. Кайданов створив новий напрямок у науці, пов'язаний з розкриттям генетичних наслідків добору за адаптивно важливими ознаками. Багато десятків років Л.З. Кайдановим і його учнями виконується унікальний за масштабом селекційно-генетичний експеримент, що не має аналогів у світі. Починаючи з 1966 року проводиться селекція споріднених ліній Drosophila melanogaster за репродуктивною функцією. Добір іде за ознакою поведінки – статевою активністю самців і супроводжується тісним інбридингом.

Отримана в результаті такої селекції лінія з низкою статевою активністю самців (НА) характеризується цілим комплексом генетично контрольованих змін, найважливіші з яких торкнулися нейроендокринної системи.

Л.З. Кайдановим уперше було показано, що добір ліній за репродуктивною функцією призводить до їхньої дивергенції відповідно до складу мутацій, що стосуються життєздатності. Селекція на зниження адаптивних якостей лінії супроводжується різким збільшенням генетичного вантажу – мутацій, що знижують життєздатність. Добір же в протилежному напрямку призводить до збільшення частки квазінормальних і супервітальних хромосом.

Спеціальні дослідження, у ході яких досліджувані хромосоми були піддані рекомбінаційному аналізу, показали, що практично кожна хромосома несе кілька мутацій, що стосуються життєздатність. У складі багатьох хромосом, що демонструють квазінормальний ефект щодо впливу на життєздатність своїх гомозиготних носіїв, були виявлені супервітальні мутації. Ці мутації є напівдомінантними супрессорами, та їх можна розглядати як елементи компенсаційного комплексу генів, що забезпечує, відповідно до концепції В.О. Струннікова, виживання ліній, насичених шкідливими мутаціями.

Лінія НА та інші інадаптивні лінії характеризуються високою частотою мутування. В основі високої мутабильності низькоактивних ліній полягає, вочевидь, hobo-система мобільних генетичних елементів (МГЕ). НА-лінії відрізняються від високоактивних складом і локалізацією hobo. Вони різняться також за складом дефектних (делетованих) копій. Ці генетичні особливості обумовлюють значний індукційний потенціал низькоактивних ліній.

Був винайдений засіб посилення індукційного потенціалу низькоактивних ліній - ізогенізація їхнього хромосомного набору в умовах дизгенних схрещувань. При цьому встановлене явище масових невипадкових переміщень по геному копій hobo-елемента. Таким чином, був розкритий зв'язок між напрямком добору та рівнем генетичної нестабільності вибираних ліній.

У геномі лінії НА міститься невелика кількість copia-подібних МГЕ. Їхній розподіл по хромосомах є стабільним протягом сотень поколінь підтримки ліній. Однак зміна пристосованості лінії, що відбулася в результаті зміни напрямку добору, призвела до раптових і координованих невипадкових транспозицій МГЕ по геному. Очевидно, досліджувані мобільні генетичні елементи є складовою частиною системи генотипу вибираних ліній, що забезпечує стратегію подолання шкідливих наслідків інбридингу й добору в мінус-напрямку.

Лінії, отримані Л.З. Кайдановим, являють собою унікальний матеріал для вивчення генетики поведінки дрозофіли.

Рис.1.19. Леонід Зіновійович Кайданов

Про розвиток генетики поведінки наприкінці ХХ початку ХХІ століття можна судити з низки монографій.

У 1975 році вийшла монографія Л. Эрмана та П. Парсонса «Генетика поведения и эволюция», у якій автори як поведінку розглядають будь-які форми активності, що проявляються організмом як єдиним цілим по відношенню до навколишнього середовища, до умов його існування. Однак основну увагу вони приділяють тим аспектам м'язових, гормональних і нервових реакцій організму на зовнішні умови, про які з тим чи іншим ступенем вірогідності відомо, що вони мають спадкову природу.

У монографії Л.Н. Трут «Очерки по генетике поведения», опублікованої у 1978 році, розглядаються питання факторіальної генетики поведінкових реакцій тварин різних філогенетичних рівнів, деякі аспекти епігенетичного контролю поведінки, канали онтогенетичної реалізації генотипу на рівні поведінки.

У 2000 році вийшла монографія Л.І. Корочкіна та О.Т. Михайлова «Введение в нейрогенетику». Книга присвячена актуальним проблемам сучасної нейрогенетики. Автори розглядають нейронну теорію як основу нейробіології та нейрогенетики, та на базі цієї теорії подають докладний аналіз різних аспектів цих наук. У книзі докладно описані генетичні системи, які визначають вибір клітиною шляху розвитку та характер диференціювання нейронів. У монографії розглянуті різні експериментальні моделі, використовувані в нейрогенетиці та генетиці поведінки, і теорії, які з'явилися в ході аналізу результатів, отриманих при дослідженні цих моделей.

Дані сучасної науки про еволюцію, онтогенез і генетику поведінки містяться в підручнику З.А. Зоріної, І.І. Полєтаєвої, Ж.І. Рєзникової «Основы этологии и генетики поведения», що вийшов з друку в 2002 році.

Вся історія досліджень в галузі генетики поведінки переконливо доводить, що поведінкові ознаки так само генетично детерміновані, як і всі інші. Генетична детермінація реалізується в процесі індивідуального розвитку, коли в результаті функціонування відповідних генетичних систем формуються нейральні мережі, що виконують відповідні поведінкові реакції, а відмінності здатності до навчання та запам'ятовування пов'язані з різною ефективністю функціонування цих мереж.

Питання для повторення й обговорення.

1. У чому особливості предмета генетики поведінки?

2. У чому особливості методів генетики поведінки?

3. Доведіть, що генетика поведінки є інтегруючою міждисциплінарної областю знань.

4. Які завдання вирішує генетика поведінки?

5. Які основні напрямки вивчення генетики поведінки ви знаєте?

6. Яку роль відіграє у вивченні генетики поведінки нейрогенетика?

7. У чому особливості підходів до дослідження поведінки і нейрофізіологічних процесів в режимі «від гена до поведінки» і «від поведінки до гену»?

8. Як генетика поведінки використовує селекційні методи?

9. У чому полягає роль етологічних знань у вивченні генетики поведінки?

10. З якими труднощами стикаються вчені, які займаються генетикою поведінки?

Теми рефератів.

1. Історія розвитку генетики поведінки як науки.

2. Історія перших експериментальних робіт з генетики поведінки.

3. Формування генетики поведінки як самостійного наукового напряму.

4. Розвиток генетики поведінки в кінці ХХ початку ХХ1 століття.

3. Поняття ознаки у генетиці поведінки.

Генетична мінливість особин у популяції може проявлятися за величезною кількістю ознак, у тому числі й поведінкових. Для успішного проведення дослідів з генетики поведінки необхідно підібрати відповідні поведінкові ознаки. Це непросте завдання.

Учені досліджували найрізноманітніші поведінкові ознаки в різних видів тварин: схильність до судом, загальну збудливість, локомоторну активність, орієнтовно-дослідницькі реакції, різні аспекти репродуктивної поведінки, класичні та інструментальні умовні реакції, реактивність до фармакологічних речовин.

Для зручності організації наукових досліджень поведінкові ознаки розділили на групи відповідно до фізіологічних функцій, що лежать у їхній основі (Рис. 1.20).

Рис.1.20. Класифікація поведінкових ознак відповідно до фізіологічних функцій, що лежать у їхній основі.

Поділ поведінки на моторні, сенсорні, емоційні, соціальні та «інтелектуальні» компоненти є багато в чому умовним, але необхідним для диференціювання їх один від одного. Реально, ці поведінкові патерни представляють перетинні множини, де в кожній присутні компоненти всіх інших.

У експерименті попереднє тестування моторних і сенсорних функцій дозволяє уникнути недостовірних позитивних і негативних результатів при пред'явленні більш складних поведінкових завдань. Наприклад, при проведенні експериментів з навчання в завданнях використовуються сенсорні стимули, а в їхньому виконанні бере участь моторика.

Для успішного проведення експериментів з генетиці поведінки необхідно підібрати відповідну ознаку – «одиницю поведінки». У якості таких «одиниць» генетика поведінки запозичила з етології комплекси фіксованих дій (КФД), які являють собою складні стереотипні рухи, що утворюють високоорганізовану послідовність.

Термін КФД з'явився завдяки Конраду Лоренцу, який вважав, що основу поведінки, тобто його базові одиниці, становлять специфічні для кожного виду тварин рухи, форма яких є постійною, закріпленою генетично. Ці рухи він назвав «інстинктивними діями», або «спадковими координаціями» (Erbkoordinationen – нім.,), і саме останній термін, переведений Ніко Тінбергеном англійською як «fixed action pattern» (українською буквально – фіксована форма дії), з 50-х років, закріпився в етології для їх позначення. У російськомовній літературі даний термін також переводили як «комплекси фіксованих дій» (КФД) або «фіксовані комплекси дій» (ФКД).

Комплекси фіксованих дій виявились зручними для вивчення завдяки своєму чіткому вираженню та стійкості. Генетична мінливість відбивається не на «малюнку», або патерні (pattern), КФД, а переважно на частоті його виконання та порогах активації у тих чи інших умовах, тобто на їх просторово-часових характеристиках, що цілком піддається точному, кількісному вимірюванню.

Спадкування видоспецифічних особливостей виконання КФД можна аналізувати, вивчаючи поведінку гібридів першого покоління від схрещування особин батьківських видів, у яких ця поведінка чітко розрізняється, а також в особин з локальними мутаціями, що впливають на цю ознаку.

Серед прикладів КФД, генетика яких хоч якоюсь мірою вивчена, можна відзначити, наприклад, гніздобудівну поведінку різних видів папуг–нерозлучників, материнську поведінку (підтаскування дитинчати до гнізда) у мишей відселектованих ліній та інші поведінкові ознаки.

Рис. 1.21.а. Приклади «одиниць поведінки» – комплексів фіксованих дій. Бджола, що будує стільники.

Рис.1.21.б. Приклади «одиниць поведінки» – комплексів фіксованих дій. Випрошування їжі зозуленям.

Як правило, для дослідження ролі генотипу у формуванні поведінки вчені вибирають або ті ознаки, що легко піддаються кількісному обліку, або ті, які легко виміряти за ступенем виразності.

Яким же чином ці ознаки пов'язані з генотипом?

Коли у 30-х роках сформувалася феногенетика – напрямок, що аналізує шляхи й правила становлення ознаки в онтогенезі, то, в межах цього напрямку, були встановлені наступні принципи:

• кожний ген впливає на всі ознаки організму, хоча його вплив на деякі з них може бути незначним;

• будь-яка ознака організму залежить від усього генотипу в цілому.

Було показано, що вплив генів на ознаки може бути безпосереднім або опосередкованим. Деякі ознаки, наприклад первинна структура білка, визначаються послідовністю нуклеотидів даного гена. Інші ознаки, більш віддалені від первинного ефекту гена, як правило, перебувають під впливом численних генів. Поведінкові ознаки, як правило, пов'язані з функцією конкретних генів не прямо, а опосередковано.

Якщо ознака віддалена від первинного ефекту гена кількома «ярусами» біохімічних процесів, то виявляється вплив даного гена не тільки на досліджувану ознаку, але й на багато інших ознак будови, функцій і поведінкових реакцій організму. Це явище називається плейотропією.

Плейотропія (від грецьк. «рleion» – більш численний, більший і «tropos» – поворот, напрямок) – множинна дія гена, здатність одного гена впливати одночасно на кілька різних ознак організму.

Було показано, що прояв гена може бути різноманітним і практично всім добре вивченим генам властива плейотропія. Наприклад, гени, що визначають забарвлення шерсті в домової миші, впливають також на розміри тіла тварини; ген, що впливає на пігментацію ока харчової (чи борошняної) молі (Ephestia kuehniella; рос. – мельничная огнёвка), має ще десять морфологічних і фізіологічних проявів. У лабораторних мишей, що мають мутацію brindled, відзначаються «кучеряві» вібриси, «послаблене» забарвлення шерсті, тремор, а також низка інших аномалій. Ці прояви мутантного гена є наслідком порушень у засвоєнні міді – мікроелемента, необхідного для багатьох біохімічних реакцій.

Плейотропія часто поширюється на ознаки, що мають еволюційне значення, – плодючість, тривалість життя, життєздатність. Плейотропія свідчить про взаємозв'язок процесів клітинного метаболізму та біохімічних механізмів онтогенезу, про наявність між первинною дією гена і його проявом у фенотипі багатьох проміжних ланок, на які можуть впливати інші гени та фактори зовнішнього середовища.

Класичним прикладом плейотропії, пов'язаним з поведінковими ознаками дрозофіли, э вперше виявлений А. Стертевантом у 1915 році та докладно описаний у 1956 році М. Бесток вплив мутації yellow на рівень статевої активності імаго. Широко відомі також численні плейотропні ефекти мутації альбінізму (порушення гостроти зору, специфічні особливості морфології зорових шляхів), що виявляються не тільки в лабораторних мишей і щурів, але й у багатьох інших видів тварин і, навіть, у людини. До плейотропних ефектів належать множинні відхилення від норми в розвитку мозку мишей при неврологічних мутаціях.

Для кількісного опису неоднозначної відповідності фенотипу та генотипу видатний генетик М.В. Тимофєєв-Рєсовський увів поняття експресивності та пенетрантности.

Експресивністю називається ступінь виразності розглянутої ознаки в організмів з однаковим генотипом. Іншими словами експресивність – це ступінь фенотипового прояву ефектів певного гена в різних генетично подібних між собою особин. Експресивністю характеризується конкретна особина. Наприклад, у дрозофіл з генотипом eyeless (безокі) зменшене число очних фасеток, але абсолютне число фасеток варіює від 0 до 50% від норми, яка становить 779 фасеток. Тоді експресивність при повній відсутності фасеток в особини дорівнює 100%, а в особини із числом фасеток, зменшеним у два рази, – 50%.

Рис. 1.22. Мутація eyeless у Drosophila melanogaster

а, а' – нормальні очі; b, b' – зовсім безока форма; с, с' – проміжне вираження ознаки.

В основі відмінностей експресивності може лежати багато причин, зокрема вплив факторів середовища або генетичного тла. Якщо експресивність дуже мінлива (аж до відсутності прояву ознаки в окремих особин), тоді вводиться додаткова характеристика прояву дії гена – пенетрантність (частота прояву певного гена в різних особин групи споріднених організмів).

Пенетрантністю називається відношення числа особин, у яких проявляється дана ознака, до загального числа особин з даним генотипом.

Пенетрантністю характеризується ознака в однорідній групі особин. При повній пенетрантності (100%) мутантний ген проявляє свою дію у всіх особин, що мають його, а при неповній – лише в деяких. Наприклад, у дрозофіли домінантна мутація Lobe (L) викликає зменшення розміру око, однак ця ознака проявляється тільки в 75% особин; в інших 25% імаго-носіїв алелю L – очі нормальні. Отже пенетрантність алелю L дорівнює 75%.

Експресивність і пенетрантність часто залежать від умов середовища, у якому розвивається організм: освітлення, температури або вологості.

Прикладом мінливості ознак поведінки, які пов'язані з експресивністю та пенетрантністю, можуть бути кількісні варіації прояву фіксованого комплексу дій (ФКД) дослідницької активності, харчової поведінки, інтенсивності ФКД репродуктивної поведінки, які можна спостерігати у тварин ідентичних генотипів, наприклад у мишей і щурів інбредних ліній.

Мінливість ознак поведінки у лабораторних ліній визначається дуже великою кількістю факторів. Наприклад, вплив сусідства родичів у житловій клітці. Оскільки лабораторні миші та щури належать до видів, що живуть в угрупованнях, ізоляція окремої тварини викликає потужні зміни нейрохимічних процесів у її організмі, а також зміну поведінки. У той же час, утримання тварин групою виявляє відмінності, що визначаються положенням особини у внутрішньогруповій ієрархії. Є й інші приклади прояву мінливості поведінки особин з ідентичними генотипами.

До додаткових труднощів при вивченні генетики поведінки призводить і той факт, що багато поведінкових ознак залежать від ряду зовнішніх по відношенню до нервової системи факторів, наприклад від сезону року, або від гормонального тла, що сформувався у певний час в організмі.

Перший етап генетичного дослідження ознак поведінки пов'язаний з оцінкою рівня їх мінливості. Ознаки організму можуть варіювати, виявляючи фенотипову мінливість у межах норми реакції, розмах якої визначений генотипом.

При вивченні поведінкових ознак, генетики зіштовхуються також з мінливістю, що пов'язана із впливом індивідуального досвіду.

Основним матеріалом для робіт в області генетики поведінки є відселектовані та інбредні лінії. Селекція ведеться за широким діапазоном ознак поведінки, що продемонстрували генетичну мінливість: від швидкості проведення нервового збудження в нервово-м'язовому синапсі до високої й низької здатності до навчання. За допомогою селекції формуються лінії, що складаються із тварин, подібних за виразністю досліджуваної поведінкової ознаки, а іноді й за низкою інших ознак, але не завжди отримані лінії будуть характеризуватися генетичною однорідністю. Це утруднює використання їх із метою ідентифікації генів, що впливають на дану ознаку.

У ряді випадків вдається одержати повністю гомозиготних тварин з контрастними, у випадку двох ліній, величинами поведінкової ознаки, яка цікавить дослідників. Але таких ліній небагато. Як приклад можна привести інбредні лінії мишей Short і Long sleep, у яких після гіпногенної дози етанолу розвивається, відповідно, або короткий, або довгий період сну.

Існують лінії мишей, які мають спільне походження та вирощувались в однакових умовах, але поведінкові реакції, які вони демонструють при знаходженні в яскраво-освітленому відкритому просторі, – різні. Ці лінії були отримані в такий спосіб.

У першій серії експериментів дослідники брали групу звичайних польових мишей і поміщали кожну особину по черзі в яскраво-освітлену коробку. У відповідь на ситуацію миші демонстрували найрізноманітніші поведінкові реакції. Деякі особини виявилися досить боягузливими: вони нерухомо сиділи біля стінок. Інші виявилися сміливішими – бродили по коробці, хоча й не відходили далеко від її стінок. Деякі миші орієнтувалися вільно, навіть виходили на середину освітленого поля. За допомогою різних методів дослідники вимірювали рухи кожної особини та відібрали найбільш нерухливих і найбільш активних.

Надалі активних мишей схрещували з активними, а неактивних з неактивними, тобто проводили селекцію у двох протилежних напрямках. Отримане в обох випадках потомство аналогічним образом тестували, відбирали та схрещували. Тобто, від найбільш боягузливих батьків у подальші схрещування брали тільки найбільш неактивних нащадків, а серед нащадків самих хоробрих батьків відбирали найбільш активне потомство. Усього було проведено більше 30 поколінь інбредних схрещувань. З кожним наступним поколінням миші з боягузливої групи ставали усе більше боягузливими, а миші зі сміливої групи усе сміливішими.

Таким чином дослідники одержали дві лінії мишей, що мають спільне походження та були вирощені в однакових умовах, але демонструють різні поведінкові реакції у яскраво-освітленому відкритому полі.

Аби переконатись у відсутності впливу на поведінку мишей неконтрольованих факторів, був проведений додатковий експеримент, що полягав у наступному.

Новонароджених мишей з неактивної лінії поміщали на виховання до самиць з активної лінії і навпаки, а також мишей з обох відселектованих ліній одночасно поміщали на виховання до однієї дорослої самки. При наступному тестуванні миші демонстрували поведінкові реакції, властиві своїй вихідній лінії.

Ці результати свідчать про те, що поведінкові ознаки залежать від спадковості. Боягузтво, як і хоробрість, і ряд інших поведінкових ознак називаються кількісними спадковими ознаками, оскільки фенотипи (спостережувані поведінкові реакції), асоційований з відповідним генотипом, варіюють за вимірюваними кількостями або ступенями.

Кажучи постою мовою, вихідне покоління мишей складалось з особин «не дуже боягузливих», «помірно боягузливих», «досить боягузливих» і інших, з «різним ступенем боягузтва». Якщо ввести якусь розмірність для цієї ознаки (ранжувати його) і побудувати графік, вийде дзвоноподібна крива. Такі ознаки називають ще ознаками з неперервною мінливістю, тому що окремі їхні значення в популяції/лінії змінюються безупинно від одного екстремального значення до іншого.

Серед поведінкових ознак відомі й ознаки іншого типу – ознаки з переривчастою мінливістю або якісні. Вони або присутні в досліджуваного об'єкта, або відсутні. Прикладом такої ознаки в людини може слугувати здатність або нездатність згортати язик у трубочку.

Однак більшість поведінкових ознак все-таки є кількісними.

Рис.1.23. Сім з десяти людей, що мають домінантний алель певного гена, здатні згортати язик трубочкою.

Поряд із факторами зовнішнього середовища та генотипом у ссавців у формуванні ознаки бере участь ще один важливий параметр – пренатальний та постнатальний вплив материнського організму. Це – так званий материнський ефект. Найбільш прості приклади впливу материнського організму на фізіологічні реакції і поведінку потомства – це ефекти різних пренатальних впливів на піддослідну самицю (утримання в умовах стресу різної етіології, вплив фармакологічних агентів), ступінь виразності яких може залежати від її генотипу.

Ці впливи можуть істотно позначатися не тільки на внутрішньолінійній, але й на міжлінійній мінливості. Іншими словами, вплив «материнського середовища» інбредної лінії «А» на формування ознаки може бути іншим, ніж вплив на цю ознаку «материнського середовища», властивого генотипу лінії «Б».

Вплив материнського середовища складається із трьох компонентів: цитоплазматичного, внутрішньоутробного й постнатального.

Цитоплазматичний компонент виявляється не тільки в ссавців, але й у тих тварин, розвиток яких проходить поза материнським організмом. Він полягає в тім, що яйцеклітина та сперматозоїд при злитті привносять у зиготу різні кількості цитоплазми, причому білки, синтезовані на основі материнських іРНК, визначаються в зародку навіть після початку дроблення. Крім того, цитоплазма яйцеклітини передає зародку значно більшу кількість мітохондріальної ДНК, порівняно з цитоплазмою сперматозоїда. Це означає, що цитоплазматичні впливи також можуть мати генетичну природу.

Внутрішньоутробний компонент материнського ефекту визначається генотипом матері, а також специфічними впливами, яких зазнає її організм, Самиці різного генотипу, навіть вирощені та утримувані в однакових умовах, створюють потомству різне «материнське середовище», що може викликати відмінності у фенотипі потомства, у тому числі й у поведінковому фенотипі.

Постнатальний компонент пов'язаний з тим, що дитинчата ссавців тривалий час залежать від материнської турботи, що може по-різному проявлятися.

У генетиці поведінки розроблені експериментальні прийоми, за допомогою яких можна оцінити відносний внесок кожного із цих компонентів (цитоплазматичного, внутрішньоутробного та постнатального) у фенотипову мінливість ознаки поведінки.

Таким чином, під поведінковою ознакою в генетиці поведінки розуміють будь-яку реакцію живого організму у відповідь на зміну в навколишнім середовищі, для якої характерна, або переривчаста, або неперервна мінливість, що залежить від одного (двох) або багатьох генів.

Питання для повторення й обговорення.

1. Як здійснюється підбір поведінкових ознак?

2. У чому особливості поведінкових ознак?

3. За якими критеріями здійснюється класифікація поведінкових ознак?

4. Які «одиниці поведінки» вивчають генетики? Наведіть приклади.

5. Чому комплекси фіксованих дій виявилися зручними для вивчення?

6. Як поведінкові ознаки пов'язані з генотипом?

7. Наведіть приклади плейотропії, пов'язані з поведінковими ознаками дрозофіли.

8. Наведіть приклади мінливості ознак поведінки, які пов'язані з експресивністю і пенетрантністью.

9. Доведіть, що поведінкові ознаки залежать від спадковості.

4. Методи оцінки ознак поведінки (поведінкове фенотипування).

Перш ніж приступитися до селекції за поведінковою ознакою, дослідник вирішує питання вибору підходящої ознаки поведінки, способу її оцінки та методу добору. Треба враховувати, що найчастіше ознаки поведінки відносять до категорії кількісних і вони піддані впливу безлічі факторів середовища і генетичних, а методика виміру ознаки повинна бути надійною та нетрудомісткою.

У цьому розділі представлені найбільш відомі методи оцінки ознак поведінки в модельних генетичних об'єктів. Низка методик, що використовуються в генетиці поведінки, будуть описані також у главах, присвячених генетиці поведінки окремих таксономічних груп.

Під час спостереженнях за тваринами в природних умовах або при утриманні їх у клітках для оцінки поведінки найчастіше використовується реєстрація етограм – запис (замальовка, фотографування, відеозапис і т.п.) всієї послідовності поведінкових актів і поз тварини. На основі етограм при аналізі соціальної поведінки можна скласти соціограми – діаграми, що графічно демонструють частоти прояву тих або інших актів поведінки при спілкуванні особин у групах.

Рис. 1.24. Етограма сигнальної поведінки кам'янки-плешанки (Oenanthe pleschanka)

а-г – різні форми територіальної і загрозливої поведінки самця, д – ті самі дії самиці; е-і – шлюбна поведінка самця, к – та сама поведінка, але самиці. Стрілками позначені одноразові або багаторазові рухи голови й крил.

Рис. 1.25. Приклад соціограми соціальних відносин сімейних груп монгольських піщанок. Товщина стрілок пропорційна числу взаємодій між особинами; напрямок показує, кому адресована дія.

Для об'єктивної кількісної реєстрації поведінки тварин використовують численні автоматичні й напівавтоматичні прилади, оснащені спеціальним програмним забезпеченням для обробки даних. Розроблено комп'ютерні програми, оптимізовані для запису та аналізу унікальних поведінкових фенотипів. Кожна така система має високу пропускну здатність, здатна здійснювати відеоаналіз активності як однієї тварини, так і цілої групи тварин у реальному часі. Після відеоаналізу програми переводять дані в зручний для статистичного аналізу формат великоформатної таблиці.

Програми для аналізу поведінки груп тварин використовуються, наприклад, при оцінці ритмів рухів тварин, включаючи хаотичність, схильність залишатися близько до стін або просуватися ближче до центра клітки, тощо. Можна також одержати деталізовану статистику про таку поведінку групи тварин, як повна середня швидкість, активна середня швидкість, тощо, а також визначити специфічні події, що відбуваються в групі.

Але, незважаючи на активний розвиток автоматизованих систем реєстрації та обліку ознак, не втратили своєї наукової цінності прилади й тест-системи, розроблені на більш ранніх етапах становлення генетики поведінки. Так, наприклад, у дослідженнях поведінки дрозофіли найбільшу увагу приділяли статевій поведінці, фото- і геотаксисам, а також руховій активності.

Найбільш витончені методи виміру ознаки розроблені для таксисів. Прилад для оцінки геотаксиса був запропонований у п’ятдесяті роки Хіршем. Він складається з окремих Т-образних блоків, що мають один центральний тунель і два бічних провулки. Блоки розташовані рядами, причому в кожному наступному ряді число блоків збільшується на одиницю. Таким чином, вхід у лабіринт один, а виходів у десятирядному лабіринті – одинадцять.

Рис.1. 26. Лабіринт для вивчення геотаксиса

Використовують і більш подовжений варіант лабіринту з 15-ма рядами та 16-ма виходами. Лабіринт орієнтований вертикально. Комасі при проходженні кожного блоку надається можливість вибрати напрямок руху, тобто піднятися нагору по одному із провулків або опуститися долілиць по другому. До руху в напрямку виходу мухи стимулюються світлом люмінесцентної лампи, що рівномірно освітлює кінцеві колекційні трубки, і запахом їжі, що в них знаходиться.

При проходженні лабіринту з 11-ма (або 16-ма) виходами кожна особина мине 10 (або 15) перехресть, по одному в кожному ряді. Шлях у сусідні відсіки (як і назад) перепинений лійками, орієнтованими відповідним чином. Одночасно можна випробовувати по 200 або 300 особин однієї статі. Кожна муха одержує індивідуальну оцінку відповідно до номера колекційної трубки, до якої вона потрапила. Особинам, що збиралися до центральної трубки і тим самим здійснили рівне число поворотів нагору й долілиць, дається оцінка 0; всі особини, що потрапили до трубок, розташованих вище центральної, вважаються геонегативними, а ті, які скупчилися в нижніх трубках – геопозитивними. Особини з крайніх трубок одержують максимальний бал +5 і -5 (або +7,5 і -7,5 залежно від числа фінальних трубок).

Лабіринт для оцінки фототаксису побудований на аналогічному принципі. Особливістю його є горизонтальна орієнтація, а також те, що складається він не з Т-образних, а з Y-образних блоків, у яких один з бічних провулків освітлений, а інший – затемнений.

Прилад для «сортування» мух методом зворотного потоку складається із двох груп пробірок, укріплених у двох штативах, які можна зрушувати один відносно одного (Рис. 1.27).

Мух розташовують у пробірці «0», після цього апарат ставлять вертикально та легеньким постукуванням скидають їх на дно пробірки. Потім всю систему кладуть плиском, так щоб верхні кінці пробірок були звернені до світла (а). Мухи, яким властивий фототаксис, рухаються до світла, а інші залишаються у затемненому кінці (б). Через 15 секунд звернений до світла (на малюнку – верхній) ряд пробірок зрушують праворуч (в) і знову струшують мух долілиць (г). При цьому мухи, що реагували на світло, потрапляють до пробірки «1». Верхній ряд пробірок зрушують ліворуч (д) і після переміщення системи в горизонтальне положення дають можливість мухам, які виявили фототаксис, знову бігти до світла.

Процедуру повторюють 5 разів. У результаті найбільш активні мухи виявляються в пробірці «5», менш реактивні - у пробірці «4» і т.д.

Рис. 1.27. Прилад для «сортування» мух методом зворотного потоку

Для виміру особливостей статевої поведінки та рівня локомоторної активності зазвичай використовую безпосередні візуальні спостереження. Мух для випробувань розсаджують парами або цілими групами. Статеву активність вимірюють або за латентним часом до початку копуляції, або за частотою парувань за певний період часу. Для самців установлена висока кореляція між цими двома способами оцінювання, так само як і кореляція обох зазначених ознак поведінки з їхньою загальною плодючістю. Тривалість копуляції, найвірогідніше, є самостійною ознакою та з рівнем статевої активності постійного зв'язку не має. Швидкість парувань враховують при об'єднанні віргинних (тобто незапліднених) самиць і самців індивідуальними парами або більш численними групами. В останньому випадку створюють ситуацію або чоловічого вибору - один самець серед декількох самиць, або жіночого, або обопільного (декілька пар разом).

Поведінкові ознаки, на відміну від морфологічних, піддані впливу самих обставин проведення експерименту. Наприклад, показано, що статева активність залежить від чисельного складу випробуваної групи. Вочевидь, для прояву максимальної статевої активності існує оптимальна щільність, тому що активність знижується, як при підвищенні чисельності групи, так і при її зменшенні. Статева активність самців залежить від кількості доступних самиць. У гетероморфній групі статева активність самців залежить від частоти зустрічальності їхнього генотипу, причому перевага віддається на користь рідкісних форм.

На статеву активність мух впливають умови їх личинкового розвитку, характер освітлення до початку та під час експерименту.

Рухову активність вивчають за допомогою приладів різного типу: відкритий простір, або арена, розкреслена на квадрати; кільцева «бігова» доріжка, розмічена на ділянки, система камер, з'єднаних вузькими переходами (Рис. 1.28, Рис. 1.29). При цьому камери можуть розташовуватися в один ряд, лінійно або трійками навколо центральної посудини.

Рис. 1.28. Кругова доріжка для спостереження за руховою активністю дрозофіл (за Connolly, 1966)

Рис. 1.29. Прилад для масових випробувань рухової активності дрозофіл. Система камер, розташованих у ряд (1–6). Стартова камера (1) відділена від інших засувкою. Шість рядів камер змонтовані разом для паралельного спостереження за 6-ма особинами або 6-ма групами.

Рухову активність оцінюють числом квадратів, ліній або камер, які особина перетне за певний час, а при масових тестах – часткою особин, які перемістилися зі стартової камери в сусідні. Тривалість випробувань, як правило, варіює в межах 1-25 хв. При тривалих 6-24 годинних масових випробуваннях досліджувану активність називають дисперсійною, або міграційною. При цьому випробування проводять як при світлі, так і в повній темряві.

Простий метод оцінки загальної локомоторної активності був запропонований Є.М. Лучниковою. Полягає він у підрахунку числа активних у даний момент (або неактивних) особин з десяти, що перебувають у пробірці. Об'єктивність такого методу доведена ефективністю добору.

Абіотичні умови експерименту можуть відігравати в дослідах з генетики поведінки істотну роль. Так, генетична мінливість за міграційною активністю краще виявляється при світлі, але не в темряві. Тривалість випробного терміну (1 година або 7 днів) впливає на генетичну архітектоніку рецептивності самиць дрозофіли до самців yellow: зі збільшенням тривалості випробування збільшувався вплив на рецептивність адитивної компоненти взаємодії генів.

При використанні методу «лабіринту» піддослідній тварині ставиться завдання знайти шлях до певної, безпосередньо не сприйманої нею «цілі», якості якої найчастіше використовують харчову принаду, але це може бути й притулок («дім») або інші сприятливі умови. При відхиленні від правильного шляху в окремих випадках може застосовуватися покарання тварини.

У найпростішому виді лабіринт має вигляд Т-образного коридору або трубки. У цьому випадку при повороті в одну сторону тварина одержує винагороду, при повороті в іншу її залишають без винагороди або, навіть, карають. Більш складні лабіринти складаються з різних комбінацій Т-образних (або їм подібних) елементів і тупиків, потрапляння до яких розцінюється як помилки тварини (Рис. 1.30).

Рис. 1.30. Варіанти лабіринтів: а – план першого лабіринту, що застосовувався в зоопсихології (лабіринт Смолла); б – лабіринт із «містків»

Результати проходження твариною лабіринту визначаються, як правило, за швидкістю досягнення «цілі» та за кількістю допущених помилок. Метод «лабіринту» дозволяє вивчати як питання, пов'язані безпосередньо зі здатністю тварин до навчання (до вироблення рухових навичок), так і питання просторової орієнтації, зокрема роль шкірно-м'язової й іншої форм чутливості, пам'яті, здатності до переносу рухових навичок у нові умови, до формування почуттєвих узагальнень, тощо.

Інформативним може бути також метод «обхідного шляху». У цьому випадку тварині доводиться для досягнення «цілі» обійти одну або кілька перешкод. На відміну від методу «лабіринту» тварина в цьому випадку безпосередньо сприймає об'єкт (принаду), на який спрямовані його дії вже на початку досліду. Враховуються та оцінюються швидкість і траєкторія пересування при пошуку обхідного шляху навколо перешкоди. У трохи зміненому виді Л.В. Крушинський використовував метод «обхідного шляху» для вивчення здатності різних тварин до екстраполяції.

Метод диференціювального дресирування спрямований на виявлення здатності піддослідної тварини до розрізнення одночасно або послідовно пропонованих об'єктів і їхніх ознак. Вибір твариною одного із двох чи більше пропонованих об'єктів винагороджується (позитивне дресирування), в інших випадках одночасно з підкріпленням правильного вибору карається неправильний (позитивно-негативне дресирування).

Послідовно зменшуючи відмінності між ознаками об'єктів (наприклад, вирівнюючи розміри), можна виявити межі розрізнення (диференціювання). Таким чином можна одержати відомості, що характеризують, наприклад, особливості зору в досліджуваного виду тварин (його гостроту, відчуття кольору, сприйняття величин і форм і т.п.). За допомогою цього ж методу можна вивчати процеси формування навичок, пам'ять тварин, здатність до узагальнення.

Варіантом дифенціювального дресирування, придатним до застосовним лише до вищих тварин, є метод «вибору за зразком». Тварині пропонується зробити вибір серед низки об'єктів, керуючись зразком, що показується йому безпосередньо експериментатором або в спеціальному апарату.

При використанні методу «проблемної клітки» (ящика) перед твариною ставиться завдання, або відкрити для себе вихід із клітки, пускаючи в хід різні пристосування (важелі, педалі, затвори й т.п.), або ж, навпаки, проникнути в клітку, де знаходиться підгодівля, відмикаючи замикаючі пристрої. Іноді застосовуються й невеликі ящики або скриньки із затворами, відімкнення яких дає піддослідній тварині доступ до корму. При більш складній постановці експерименту всі механізми й пристрої діють лише строго в певній послідовності, що повинна засвоюватися й запам'ятовуватися твариною.

За допомогою цього методу можна вивчати складні форми навчання та моторні елементи інтелектуальної поведінки тварин. Його особливо зручно застосовувати для вивчення тварин з розвиненими хватальними кінцівками – щурів, єнотів, мавп, тощо. Такі експерименти використовують переважно для виявлення вищих психічних здібностей тварин.

Поряд із більш-менш складними експериментами в зоопсихологічних дослідженнях важливу роль грає аналіз звичайного, непідкріплюваного маніпулювання різними предметами. Такі дослідження дозволяють судити про ефекторні здібності тварин, їхню орієнтувально-дослідницьку діяльність, ігрову поведінку, здатності до аналізу й синтезу.

У 1930-х рр. Американський дослідник Холл розробив тест «Open field» («Відкрите поле») для оцінки загальної (локомоторної) і дослідницької активності. Порушення рухової активності лабораторних тварин представляють певний дослідницький інтерес; вони мають місце в лініях мишей, що моделюють хвороби Паркінсона (мимовільне тремтіння та сіпання кінцівок), Хантингтона (нейродегенеративне захворювання), латерального склерозу, атаксії, дистонії та ін.

У тесті «Відкрите поле» використовувалася спеціальна установка (Рис.1.31.а, 1.31.б). Вона представляла собою арену, поділену на рівні квадрати. У центр поміщали тварину, потім реєстрували число пересічених нею у процесі руху квадратів і дізнавалися пройдену за певний час (4-10 хв.) відстань. Цей тест активно використовується і нині, у тому числі для вивчення тривожності, пам'яті, початкового скринінга фармакологічних препаратів.

Сучасна установка для тесту «Відкрите поле» оснащена фотоелементами, що дозволяє автоматично реєструвати:

• дослідницьку й базову активність тварини;

• грумінг (поведінка, спрямоване на причепурювання – облизування, почісування й т.п.);

• вертикальну активність, зниження активності в процесі освоєння території, рідкісні або стереотипні рухи (індикатор порушень ЦНС);

• підраховувати пропорцію знаходження тварини на периферії або в центрі арени (як показник тривожності), демонструвати траєкторію руху та ін.

Рис.1.31. а, 1.31.б. Установки для тесту «Відкрите поле»

Систему Home cage activity генетики використовують для дослідження поведінки тварин у домашній клітці. Це доповнює дані спостережень у тестах, що фокусуються на конкретних поведінкових відповідях. Сучасне устаткування оснащене фотоелементами або відеокамерою, що дозволяє знімати та автоматично реєструвати активність тварини, трекінг (траєкторію руху), середню швидкість пересувань, час знаходження в пластиковому укритті, відсоток часу нерухомості тварини, час прийому їжі й води та ін. Система здатна знімати дані одночасно з 24-48 кліток.

Створено прилад, що підраховує число обертань тварини за певний інтервал часу (Ротометр) і прилад, що оцінює відчуття рівноваги, здатність тварини балансувати на обертовому барабані (Ротарод).

Тест Raised-beam walking – «прогулянка по піднятій поперечині» – використовується для оцінки рівноваги, у тестах на навчання або оцінки її вікових змін. Тварина вчиться подорожувати по поперечині (різної конфігурації й товщини), досягаючи закритої (безпечної) платформи. Реєструеться час ходьби, зісковзування лап, падіння.

Рис.1.31.в. Тест «Прогулянка по піднятій поперечині»

Аналіз ходи слідами (відбиткам лап) – Gait analysis system – тест, використовуваний, зокрема, у дослідженнях на тваринах з хірургічними втручаннями на спинному мозку, при скринінгу фармакологічних препаратів. Установка являє собою коридор, яким тварину попередньо навчають проходити. Порівнюють результати тесту до й після оперативного втручання, на тлі медикаментозної терапії.

Установка для оцінки тремору тварин – Tremor monitor – використовується при фенотипуванні трансгенних тварин, аналізі порушень ЦНС, вікових змін, у фармакологічних дослідженнях. Ця установка відрізняє тремор від стереотипних рухів, вона оснащена програмним забезпеченням, результати представляє в графічному та цифровому форматах.

Розроблено методи та створено устаткування для оцінки сенсорних функцій у лабораторних гризунів.

Прилад «гаряча площадка» – Hot plate – оцінює граничну чутливість гострого болю. У тесті «відсмикування хвоста» – Tail flick – прилад фокусує палючий промінь світла на хвості тварини та вимірює латентний період відсмикування хвоста. Установка «стартл-рефлекс» створює будь-які комбінації звуків, шумів, білого шуму, струменя повітря, світла й електричних ударів різної інтенсивності. Використовується для вивчення багатьох властивостей ЦНС.

Розроблено низку поведінкових тестів для оцінки зору. Visual cliff apparatus використовується для оцінки гостроти зору. Дворівнева установка має високий уступ, на який поміщають тварину (Рис.1.32). Обрив закритий прозорим оргсклом. Особини з нормальним зором загальмовують перед краєм і досліджують його перед тим, як рушити вперед. Сліпі тварини та тварини, які поган бачать перетинають уступ без затримки.

Рис.1.32. Тест для оцінки зору.

Метод Virtual optomotor system заснований на оптомоторному рефлексі тварини, що полягає в спостереженні (тобто у повертанні голови та шиї) за предметом, що рухається. У тесті це сіро-білі хвилі, що біжать, на моніторі комп'ютера, контрастність яких у процесі тестування знижується, що дозволяє диференціювати гостроту зору тварин (Рис. 1.33.а, 1.33.б).

Рис.1.33. а., Рис. 1.33.б Установки для методу Virtual optomotor system

Оцінка функціонального стану ольфакторного аналізатора важлива при тестуванні фармакологічних препаратів, при вивченні мотивацій і емоційної регуляції поведінки, при поведінковому фенотипуванні мутантних ліній мишей. Але дослідження ольфакторної перцепції не вимагає спеціального устаткування. Тести засновані на пошуку або обнюхуванні харчової або іншої атрактивної (наприклад, феромони) принади, що розміщується в домашню клітку. Реєструється латентний період виявлення принади, час дослідження запаху.

Емоційну поведінку тварин досліджують із використанням різноманітних тестів, найбільш стародавнім з яких є тест «відкритого поля», де цей параметр оцінюється за числу фекальних болюсів, залишених твариною на арені.

Досліджують і таку поведінкову ознаку як тривожність. Під тривожністю етологи розуміють захисну відповідь організму на потенційну присутність загрози (на відміну від страху, викликаного реальним загрозливим стимулом). Фізіологічні основи страху й тривожності багато в чому відрізняються. Страх є адаптивною реакцією, у той час як підвищена тривожність дезадаптує організм, шкодить йому.

Тривожність підрозділяють на конститутивну, багато в чому генетично закріплену, і ситуативну, провоковану умовами тесту. Інбредні лінії мишей можуть відрізнятися своєю тривожною поведінкою, що оцінюється за рівнем неофобії (острах новизни) у ситуації вільного дослідження.

Дослідження ситуативної тривожності можна розділити на дві великі групи:

• без навчання (необумовлені);

• с навчанням (обумовлені моделі).

Моделі без обумовлювання, або етологічні, засновані на дослідницькій активності тварин при наявності природних стимулів, що викликають почуття страху або тривоги. Наприклад, конфлікт між бажанням тварини залишитися в безпечному місці та досліджувати новий, але потенційно небезпечний простір (яскраво освітлене або відкрите). Дослідницька відповідь тварини полягає в огляді, обнюхуванні, підйомах на задні лапи, стрибках, ритті, загляданні долілиць, переміщенні доступних об'єктів. Тривожна відповідь - у завмиранні, пошуку притулку, рясній дефекації та урінації.

Тривожність можна вивчати в піднятому хрестоподібному лабіринті – Elevated Plus Maze, що складається із двох закритих (аналог нори) і двох відкритих (потенційно небезпечних) рукавів. Вся конструкція піднята над підлогою на 60-70 см і яскраво освітлена зверху. У тесті вимірюють число входів і час, проведений у відкритих і закритих рукавах; акти заглядання долілиць, витягування-принюхування, задній хід. Більш тривожні миші віддають перевагу закритим рукавам.

Рис.1.34. Миша в піднятому хрестоподібному лабіринті

У тесті «темно-світла камера» – Light-dark exploration box, використовується установка, поділена на дві частини – темну, що займає 1/3 простору, і світлу. Тварина поміщають у світлий відсік і вимірюють латентний період першого заходу до темного відсіку, число переміщень туди-назад, час, проведений у світлому й темному відсіках, визирання з темного у світлий і число підйомів на задні лапи. Анксіолитики (речовини, що знижують рівень тривоги) збільшують число переходів між темним і світлим відсіками камери та інші параметри.

Рис.1.35. а., Рис. 1.35.б. Тест «Темно-світла камера».

Методами оцінки тривожності з попереднім тренінгом (обумовлюванням) вивчають класичні умовні рефлекси з негативним підкріпленням. Нейтральний спочатку стимул при повторенні стає умовним для реалізації певної поведінкової відповіді. Наприклад, створюють тимчасове сполучення умовного стимулу (світло, звук) з безумовним (електричний струм). У результаті тварина при нешкідливому, на перший погляд, стимулі демонструє поведінку, начебто її вдарило струмом.

Виконання таких тестів залежить від пам'яті. Вони використовуються для скринінгу анксіолітичної або анксіогенної активності фармакологічних препаратів, для вивчення нейробіології тривожності, або, наприклад, для оцінки досвіду раннього дитинства.

Створено устаткування для формування обумовленого контекстом страху поведінка - Fear conditioning equipment. Воно складається зі звукоізолюючої камери з підлогою з металевих прутів, з'єднаних з генератором електричного струму, генератора звука для умовних сигналів (ними можуть бути й інші стимули, наприклад один із часто використовуваних ольфакторных стимулів – запах апельсинового соку).

Після навчання в камері у тварини мають місце довгострокові поведінкові зміни, які можна вивчати генетичними й фармакологічними методами.

Поведінкова модель для дослідження активного й пасивного уникання – Active or passive avoidance system – нагадує обумовлений контекстом страх. Тварину поміщають у клітку (shuttle-box), де після умовного сигналу по підлозі подається електричний струм. У ситуації пасивного уникання (закриті двері до безпечного відсіку) реєструють час завмирання, у ситуації активного уникання (при відкритих дверцятах до безпечного відсіку) – латентний період побігу. Комерційний варіант установки може тестувати одночасно 8 тварин.

Учені досліджують і таку поведінкову ознаку як депресія. Депресія – це психічний стан зі зниженим настроєм, зниженою життєздатністю, відсутністю прагнення до задоволення (ангедонія). Деякі види депресії провокуються стресовими життєвими обставинами. Має місце генетична схильність до захворювання депресією. У 1970-1980-х роках причину депресії бачили у виснаженні моноамінових депо нейронів, на даний час дослідження молекулярних механізмів депресії сконцентровані на з'ясуванні ролі ряду транскрипційних факторів.

Депресивноподібний стан тварин в експерименті провокується тривалими стресорними впливами або селекцією. Перевірка формування депресивноподібного статусу здійснюється стандартними тестами «примусового плавання» (Forced swimming test, він же Porsolt test) або «защемлення хвоста» (Tail suspension test).

У обох випадках оцінюється час, коли тварина від активних спроб звільнитися з неприємного положення (занурення у воду або підвішування за хвіст), переходить до нерухомості, зависанню, що дослідники асоціюють із втратою твариною надії і поведінкою розпачу. Клінічно активні антидепресанти збільшують час до стану нерухомості.

Ангедонія оцінюється в тесті на споживання цукру (Sucrose consumption): тварині в домашню клітку поміщають дві пляшки – з водою та з 5–10 %-м розчином сахарози. У стані депресії обсяг випитого розчину сахарози у відсотковому відношенні знижений.

Одна з моделей формування у тварин депресивного стану називається «вивчена безпорадність» (Learned helplessness model). Тварини сидять у трьох однакових клітках із прикріпленими до лап електродами. Контрольній тварині струм не подається. У дві інші клітки струм подається, однак у першій клітці тварина може відключити струм, виконавши інструментальну дію (наприклад, нажавши на педаль), тобто вона перебуває в стані стресу, якого можна уникнути. У другій клітці дана дія не призводить до відключення струму (струм відключається тільки одночасно з 1-ю кліткою), тобто створюється ситуація стресу, якого неможливо уникнути. Саме останній тип стресу робить найбільш руйнівний вплив на психіку, приводячи до депресії.

Модель дозволяє оцінити профілактичний ефект фармакологічних препаратів (по відношенню до стресорних впливів) і терапевтичний ефект (після виникнення поведінкових порушень). У першому випадку ефективними виявляються препарати анксіолітичного ряду, у другому – антидепресивного.

Цікавлять генетиків і стереотипні рухи (облизування, фиркання, мотання головою, витягування в одному місці розташування, завзяте гризіння прутів клітки). Існують стереотипії, при яких більш складні патерни поведінки (вживання їжі, питва, догляд за собою та соціальна поведінка) зникають.

Стереотипії автоматично реєструються приладами «Open field system», «Home cage activity system». Більшість рухів при стереотипії можна викликати більшими дозами психостимуляторів (кокаїн, амфетамін). Ця модель використовується для скринінга потенційних антипсихотичних речовин. Дослідження стереотипії має довгу історію, раніше фокус уваги був зосереджений на дофамінергічній системі стріатума. Сучасні дослідження пов'язані з пошуком внутрішньоклітинних білків-посередників, що беруть участь у клітинному метаболізмі.

Особливо складними є методи й устаткування для оцінки когнітивних функцій (пам'яті, навчання й т.п.) .

Для оцінки когнітивних функцій використовується:

• радіальний лабіринт – Radial maze, у якому тварина обирає оптимальну стратегію дослідження та пошуку їжі (нагороди) з мінімумом зусиль;

• Т-лабіринт – Т-maze, у якому тварина шукає принаду;

• тест у водному лабіринті Морріса (Morris water maze), заснований на пошуку оптимальної стратегії уникнення води з мінімумом зусиль, а саме на пошуку найкоротшої дистанції до захованої під водою платформи на підставі попередньої пам'яті про її місцезнаходження;

• лабіринт Барнеса (Barnes Maze), що дозволяє досліджувати процеси навчання й пам'яті, використовуючи просторову навігацію.

Крім пам'яті та навчання до когнітивних процесів відносять феномен уваги як вибір сенсорної інформації із середовища для наступного стимулпов’язаного процесингу. Увага складається з декількох субкомпонентів, включаючи орієнтування, селективну увагу, тривалу увагу (пильність) і розосереджену увага. Цей феномен також доступний для моделювання на тваринах.

Розроблено методи й устаткування для дослідження соціальної поведінки тварин. За визначенням, соціальна поведінка – це поведінка, що вимагає для своєї реалізації, принаймні, ще одного представника свого виду. Сюди відносять всі варіанти міжсамцевих взаємодій, репродуктивну (статеву) і батьківську поведінку.

Соціальні міжсамцеві взаємодії (парні або групові) можна розділити на наступні категорії:

• соціальний інтерес – проходження, принюхування до партнера, генітальний грумінг;

• захисна поведінка – перебіжки (як активне уникнення партнера), завмирання (пасивна реакція затаювання, страху);

• агресивна поведінка – погрози, биття хвостом, напади, поштовхи-відпихання, погоня, агресивний грумінг, ходьба «кулькою» та ін.;

• супровідна взаємодія, несоціальна поведінка – автогрумінг, дослідження клітки, риття підстилки.

Як правило, зустріч із новим партнером починається з реакції соціального інтересу, далі переростає в агресивну взаємодію, коли тварини з'ясовують свій ранг, після чого інтенсивність їхніх соціальних контактів знижується й носить багато в чому ритуалізований характер.

На ініціацію, тривалість і інтенсивність соціальних взаємодій впливає рівень тривожності тварин: чим він вище, тим менше ці параметри. У цілому тестові ситуації можна варіювати, змінюючи освітленість тестового поля (яскрава - неяскрава), територію (знайома - незнайома), партнерів (знайомих - незнайомих).

Дослідження статевої поведінки диференціюють на вивчення статевої мотивації і безпосередньо взаємодії самця та самиці. Аналіз репродуктивної поведінки застосовується при тестуванні трансгенних мишей, при фармакологічних дослідженнях, при вивченні вікової фізіології.

Рівень статевої мотивації самців оцінюється за поведінкою «завзяття» по відношенню до рецептивної самиці. На цьому розроблено безліч тестів: тести з навчанням і оперантною поведінкою, подоланням перешкод різної складності, бігом самця по біговій доріжці, що рухається в протилежному напрямку, тест «перегородка» і інші.

З погляду сексуальної взаємодії будь-яка особина може бути оцінена за критеріями:

• атрактивності (привабливості), оцінюваної в тестах за часом, проведеним біля неї або її запаху особиною протилежної статі;

• рецептивності (сприйнятливості до сигналів сексуальної спрямованості), оцінюваної за відповідною поведінкою у відповідь на стимули певного репертуару;

• процептивності (характерній поведінці тестованої тварини, що стимулює статеву активність особин протилежної статі).

Всі ці критерії можуть бути використані для створення тестів.

Тести для дослідження соціальної поведінки тварин чутливі до анксіолітичних (протитривожних) і анксіогенних (тривогогенних) речовин, причому різні класи анксіолітиків ефективні в різних тестових ситуаціях.

Основний інструментарій – устаткування, що реєструє моторну поведінку: «Open field system», «Home cage system», «Ethostudio system» і ін.

Найпоширеніші тести:

• тести, що вивчають соціальні взаємодії на нейтральній арені;

• тест « резидент-інтрудер», де самцеві, що попередньо сидить в ізоляції і, внаслідок цього, агресивному, підсаджують партнера, після чого реєструють весь спектр міжсамцевих взаємодій;

• тест «перетинка», де самці перебувають по різні сторони перфорованої прозорої перетинки, а соціальний інтерес (мотивація) вимірюється за часом, проведеному біля перешкоди.

Перелічені методи використовують для вивчення генетики та молекулярних механізмів агресії і тривожності, домінантно–субординантних відносин, соціального стресу, тощо.

Створено тести для дослідження процесів соціального упізнавання, звикання та надання переваги.

Поняття «соціальне упізнавання» було введено у вживання в 1980-х роках. Воно засновано на безумовній поведінковій відповіді (інтересі) тварини при підсадженні незнайомого партнера. Ольфакторне дослідження підсадженої особини виснажується згодом, тоді як підсадження нового партнера супроводжується поновленням інтересу з боку тестерної особини. У першій сесії тварин зсаджують для знайомства, потім розсаджують і знову зсаджують разом, або з іншим партнером. Упізнавання визначається як значне зниження часу ольфакторного дослідження при повторному зсаджуванні зі знайомим партнером, а забування – як однакове дослідження обох.

В інших варіантах протоколу досліджують процеси соціального звикання та надання соціальної переваги. Наприклад, до шестерної особини підсаджують одночасно знайомого і нового партнера. У цілому на поведінку в тесті можуть впливати різні характеристики стимульованих тварин (їх соціальний ранг, сексуальна атрактивність, ольфакторні особливості). Характер надання переваги в подібних експериментах може відбивати наслідки попередніх досвідів (наприклад, сексуальних контактів або контактів на тлі фармакологічних втручань). Дослідження соціальної пам'яті – область, поведінкової фізіології, що активно розвивається.

Є тести для дослідження батьківської поведінки. Батьківська поведінка характерна для багатьох видів ссавців. Це комплексна стратегія активності щодо турботи, вигодовування й, у ряді випадків, навчання молодняку. Батьківську поведінку поділяють на активну та пасивну.

У лабораторних гризунів активна батьківська поведінка включає будування гнізда, перенос дитинчат з одного місця в інше (як варіант – повернення їх у гніздо), вилизування молодняку.

Під пасивною поведінкою розуміють, наприклад, прийняття самицею з лактацією пози, що підходить для годівлі дитинчат.

Для оцінки батьківської поведінки розроблені численні тести. Найпростіші включають відеоспостереження та реєстрацію конкретних параметрів батьківської поведінки протягом певного інтервалу часу або спостереження після періоду депривації (наприклад, видалення дитинчати або дитинчат строком до 3–4 годин).

Більш ускладнені варіанти оцінки батьківської поведінки можуть включати попереднє навчання матері (оперантна поведінка), або використання лабіринтів ( Y- та Т-типу), Hole-board system.

Поміщаючи в один з рукавів лабіринту або отвір арени запахову мітку дитинчати, оцінюють атрактивність (привабливість) дитячого заходу для матері. В інший спосіб оцінити емоційну значущість дитини для матері можна дослідити в установці «Place preference system».

Тест на «переважне місце перебування» – Place Preference System – широко використовується для оцінки різних видів поведінки, як правило, з вираженою емоційною складовою. Установка складається із двох або трьох камер. Автоматично реєструються моменти переходу між частинами, загальний час перебування в кожному відсіку, рухова активність і пройдений шлях. Варіант протоколу для дослідження батьківської поведінки: попереднє утримання у парні дні матері з дитинчам у лівому відсіку, у непарні дні – однієї матері в правому відсіку приладу. Далі оцінюється переважне місце знаходження самки під час відсутності дитинчати.

Рис.1.36. Устаткування для тесту на «переважне місце перебування»

У видів, здатних видавати звуки, вивчають генетично обумовлені відмінності в параметрах осцилограм (візуалізовані звукові коливання) «пісень». Найбільш популярними серед дослідників є видоспецифічні шлюбні звуки.

Рис. 1.37. Фото малої чайки (Larus minutus) і осцилограма її шлюбної пісні.

Рис. 1.38. Фото жовтоголового королька (Regulus regulus) і осцилограма його шлюбної пісні.

Протягом останнього десятиліття була розроблена батарея стандартних тестів для поведінкового фенотипування мутантних і нокаутних ліній мишей – так званий SHIRPA-Протокол. Він містить більше 40 пунктів (блоки 1 і 2 з Табл. 1) і дозволяє проводити універсальний скринінг із виявленням морфологічних дефектів і порушень у нервово-м'язовій, сенсорній і вегетативній системах організму.

Останній, третій, блок тестів у Табл. 1, оцінює більш тонкі функціональні особливості нервової системи, пов'язані з індивідуальною і соціальною поведінкою тварин, їх інтелектом і психікою.

Переслідуючи єдину мету – всебічно перевірити функціонування нервової системи – різні лабораторії використовують варіативні набори поведінкових тестів.

Таблиця 1.