Глава 2. Пути реализации генетической информации на уровне поведения

2.1. Генетика морфологических особенностей нервной системы и их связь с изменчивостью признаков поведения.

Генетиков всегда интересовала морфофизиологическая основа поведения. Знание этой основы — необходимая предпосылка для успешного поиска механизмов влияния генов на поведе­ние. Использова­ние искусственно получаемых мутаций при хорошем знании генетики изучаемого объекта, его развития, нейроана­томии помогает вскрыть первичные морфологические, электрофизиологические или биохимические эффекты генов, ведущие к изменению поведения. Вариаций структурной организации нервной системы также влияют на поведение.

Одним из показателей нейронного статуса яв­ляется вес мозга. На мышах отмечены линейные различия по весу мозга, но эти различия не коррелировали, например, с та­ким признаком, как скорость приобретения условных реакций избегания при действии электрического тока. Однако генетическая модификация веса мозга селекционным путем влияет на способность к обучению.

В процессе селекции изменяются темпы и продолжительность развития нерв­ной ткани, причем селекция на вы­сокий вес мозга увеличивает темпы эмбрионального и неонатального роста, но не меняет его продолжитель­ность. Животные этих линий имеют более тяжелый мозг при рождении по сравнению с неселекционируемым конт­ролем, и эта разница сохраняется в течение всего перио­да постнатального роста.

Селекция в обратном направлении не изменяет темпы эмбрионального развития нервной ткани. Вес мозга у новорожденных селекцио­нируемых животных одинаков с весом мозга неселекци­онируемого контроля. Однако у первых наступает более ранняя остановка в постнатальном развитии мозга. Это может иметь существенное влияние на поведение, так как вместе с сокращением периода морфологическо­го развития мозга меняется и продолжительность периода зависимого от средовой стимуляции функционального становления нервной системы.

Уста­новлено, что средовые воздействия в ранний период онтогенеза существенно влияют на некоторые морфоло­гические показатели нервной ткани. Оказалось, что увеличение числа микронейронов (звездчатых, ретикулярных и гранулярных нервных клеток), которым отво­дится особая роль в осуществлении творческой функции мозга, происходит и после рождения.

Средовые воздействия в ранний постнатальный критический период развития приводят к увеличению числа микронейронов и к усложнению их дендритных связей. Вследствие этого селекция на более низкий вес мозга, сокращая период его постнатального развития, может уменьшать как число нейронов, так и число межнейронных контактов.

Селекция на лучшую способность к обучению влечет за собой увеличение веса мозга и особенно одного из его отделов — гиппокампа, который играет важную роль в процессе обучения. Грануляр­ные нейроны зубчатой фасции гиппокампа имеют прямое отношение к хранению следов прошлого опыта.

Описаны межлинейные различия в структурной организации проводящих путей головного мозга у мышей. Так, у линий, характеризующихся крайней агрессивностью, высокой двигательной активностью или хорошей обучаемостью, наблюдались разнообразные отклонения от нормальной организации проводящих путей, например, некоторая редукция мозолистого тела, изменение положения передней комиссуры, и некоторые другие отклонения в позиции проводящих путей, которые могли служить основой структурной пластичности мозга и причиной наследственной изменчивости в поведении. Генетический анализ показал, что выявленная изменчивость в структурной организации проводящих путей детерминирована полигенно.

При анализе клонов кузнечика К. Гудман сравнил однородность и вариабельность роста и развития различных нейронов. Для многих нейронов клонированных кузнечиков были показаны различия в образуемых нейральных связях.

Сходные результаты были получены на микроскопических ракообразных – дафниях. Самки дафний, как известно, способны производить потомство, не будучи оплодотворёнными самцами. Благодаря этой способности к партеногенезу у данного вида возможно получить линии генетически идентичного потомства одной самки – клоны.

Глаз дафнии содержит 176 сенсорных нейронов, которые образуют синаптические контакты ровно со 110 нейронами оптического ганглия. Но точное число синапсов, образующихся между определённым сенсорным нейроном и специфическим нейроном ганглия, может различаться более чем в три раза при сравнении отдельных клонов. Предполагают, что подобная вариабельность обусловлена действием внешних факторов.

Гораздо сложнее обнаружить идентичные нейроны для сравнения синаптических связей у позвоночных животных. Подобное исследование можно проводить на близнецах.

Некоторые костистые рыбы имеют идентифицируемые нейроны – маутнеровские клетки, а некоторые виды этих рыб способны к размножению без оплодотворения; т.е. мать и все её дочери генетически идентичны. Каждая особь имеет по одной гигантской маутнеровской клетке в каждой половине мозга. Отмечено, что паттерн ветвления дендритов маутнеровских нейронов у клонов сходен, но существуют индивидуальные различия в деталях ветвления и образуемых синапсах.

Рис.2.1. Вероятная схема работы тормозного электрического синапса на маутнеровском нейроне рыбы.

1 - нервное окончание, 2 - начальный сегмент аксона маутнеровской клетки, 3 - глиальная «чашечка». Стрелкой показано направление тока, порождаемого потенциалом действия нервного окончания.

Интересны результаты экспериментального увеличе­ния массы мозга у рыб. Путем трансплантации соответствую­щего коре млекопитающих отдела мозга (tectum) на ранних стадиях эмбрионального развития был экспериментально увеличен этот отдел мозга у африканской рыбки (Tilapia macrocephala). Это привело к заметному улуч­шению ее интеллектуальных способностей.

Рис.2.2., Рис.2.2.а Африканская рыбка (Tilapia macrocephala) «поумневшая» в результате экспериментального увеличения одного из отделов мозга

Описаны межлинейные различия в струк­турной организации проводящих путей головного мозга у мышей. Так, у линий, характеризующихся крайней агрессивностью, высокой двигательной активностью или хорошей обуча­емостью, наблюдались разнообразные отклонения от нормальной организации проводящих путей, например, некоторая редукция мозолистого тела, изменение поло­жения передней комиссуры, и некоторые другие отклонения в позиции проводящих путей, которые могли слу­жить основой структурной пластичности мозга и причиной наследственной изменчивости в поведении. Генети­ческий анализ показал, что выявленная изменчивость в структурной организации проводящих путей детерми­нирована полигенно.

Отдельные неврологические мутации у мышей также вы­зывают те или иные структурные изменения в нервной системе: нарушение послойности коры головного мозга, клеточных взаимодействий в ткани мозжечка, степени миелинизации нервных волокон.

У мышей известны многие мутации, влияющие на нервную систему. У некоторых мутантов отсутствуют определённые участки мозга. У других – наблюдаются специфические анатомические нарушения, такие как дефекты миелинизации или дезорганизация характерных клеточных образований, нарушение послойности коры головного мозга.

Одна группа мутаций, особенно заинтересовавшая исследователей, включала различные моногенные нарушения, влияющие на постнатальное развитие мозжечка. Все они получили названия, четко характеризующие сопутствующие локомоторные нарушения: reeler (вертящийся), staggerer (шатающийся) и weaver (покачивающийся).

Рис. 2.3. Мутации, нарушающие развитие мозжечка у мышей.

а) Мозжечок нормальной мыши; б) Мозжечок мутанта weaver;

в) Мозжечок мутанта reeler.

Мозжечок мутантов reeler характеризуется аномальным расположением клеток. Наблюдается отсутствие характерных слоёв клеток в мозжечке, гипокампе или коре мозга.

Мозжечок мутантов weaver содержит намного меньше гранулоцитов, по сравнению с нормальным мозжечком, вследствие нарушения способности данного типа клеток нормально мигрировать. Гранулярные клетки мышей weaver не способны вырабатывать белок САМ (белок cell adhesion molecule). Это соединение, которое обеспечивает гранулярным клеткам способность присоединяться или мигрировать вдоль глиальных клеток. Уровень гранулярных клеток у мутантов не достигает нормы, а в мозжечке не формируется нормальная ламинарная (послойная) организация.

Р.Гринспан с сотрудниками описал мутантов плодовой мушки Drosophila, которые были нормальными во всех отношениях, за исключением того, что имели нарушения памяти. Эти мутанты, названные dunce («тупица»), amnesiac («с амнезией») и turnip («репа»), либо были не способны к обучению, либо могли обучаться, но быстро всё забывали. Дефекты памяти были обусловлены биохимическими изменениями, происходившими вследствие инактивации генов и отсутствия или нарушений синтеза соответствующих белков.

Исследования на дрозофиле выявили большое количество специфических мутаций, каждая из которых приводит к определённому дефекту в какой-либо части нервной системы насекомого. Например, летальная мутация Notch вызывает у дрозофилы увеличение (разрастание) нервной системы вследствие избыточной выработки клеток-предшественников.

Рис. 2.4. Мутация Notch дрозофилы. У эмбриона дикого типа обнаруживается около четырёх клеток предшественников нервных клеток на один гемисегмент (а), а у мутантных – более десяти (б), что является следствием низкой активности гена Notch

Исследования генетики морфологических особенностей нервной системы и связи этих особенностей с изменчивостью поведения активно развиваются. Эксперимен­тальных данных в этой области относительно конкретных связей специфических форм поведения со специфи­ческими структурными особенностями нервной системы пока немного, однако ученые полагают, что морфологическая организация мозга — один из главных путей реализации генетической информации на уровне поведения.