8.1.2. Эксперименты по генетике поведения мышей

В исследованиях использовали три основных подхода.

1. Изучали особенности поведения известных мутантов [2067]. Так же, как и соответствующие мутанты дрозофилы, мутантные мыши имеют низкую приспособленность и поэтому редко встречаются в естественных популяциях. Практически они не вносят вклад в генетическую изменчивость поведения в природных условиях. Такие мутации можно сравнить с тяжелыми наследственными заболеваниями у людей. Исследование мутантов вносит незначительный вклад в понимание генетических основ нормального поведения человека.

2. Сравнивали особенности поведения у различных инбредных линий по таким параметрам, как предпочтение определенной температуры, геотаксические реакции, оцениваемые по особенностям лазания по наклоненным под разными углами поверхностям, исследовательское поведение, общая двигательная активность, способность найти путь в лабиринте и эмоциональная реактивность, оцениваемая по частоте актов дефекации. Инбредные линии часто обнаруживают различия в таких характеристиках поведения. Эти признаки затем можно подвергнуть генетическому анализу на основе межлинейного скрещивания.

3. В популяциях, где спаривание происходит случайно, можно использовать искусственную селекцию для выявления генетической изменчивости по количественно варьирующему признаку. Согласно прогнозу (разд. 6.2.1.5), популяция обычно отвечает на селекцию сдвигом средней величины признака, подвергаемого отбору, в желательном экспериментатору направлении и уменьшением его дисперсии. После ряда поколений средняя величина достигает плато. Остающаяся на этом уровне дисперсия определяется теперь исключительно факторами среды, и сохранение ответа на отбор возможно только в том случае, если мутация вновь порождает генетическую изменчивость.

Эти подходы демонстрируют реальность генетической изменчивости поведенческих признаков. Однако мы остаемся в неведении относительно генов, определяющих эту изменчивость. Более определенные заключения можно сделать, если животных, ведущих себя по-разному в экспериментах, сравнить по физиологическим переменным, которые могут быть причастны к их поведению. В этом случае селекционный подход может оказаться особенно полезным. Если селекция по поведенческому признаку приведет к выявлению различий в других поведенческих и тем более анатомических, физиологических или биохимических признаках, то в качестве рабочей гипотезы можно предположить, что между этими признаками существуют причинные связи [2126].

Один пример аномалии, связанной с единичным геном: тучная мышь [2047]. Предположения относительно тучности у людей. Мыши, гомозиготные по гену тучности ob/ob, при выращивании в стандартных условиях очень много едят, становятся тучными и относительно неактивными. Увеличенное потребление пищи этими животными обусловлено, по-видимому, повреждением механизма насыщения.

По аналогии с крысами, у которых гиперфагию вызывают разрушениями в области гипоталамуса, предположили, что первичный дефект у мышей локализован в гипоталамусе; гистологическое исследование, однако, не выявило какой-либо аномалии.

Повреждение механизма насыщения могло бы объяснять многие случаи тучности у людей. Данные по монозиготным близнецам, исследование приемных детей и накопление тучных индивидов в определенных семьях указывают на генетические факторы, хотя тип наследования до сих пор не выявлен. Однако вряд ли можно исключить из рассмотрения гипотезу о семейных традициях в отношении еды как основной причине тучности у людей.

Установлено, что тучность у мышей обусловлена мутациями в нескольких одиночных генах. Весьма вероятно, что любой из механизмов, детерминируемых этими мутациями, а также их сочетание друг с другом могут лежать в основе тучности и у человека. Скорее всего в развитии данного признака у людей участвуют и отдельные гены, и их комплексы, и строго специфицированные факторы среды. Генетический анализ тучности у человека, проводимый без предварительного отбора семей и без какой-либо идеи относительно ее механизмов, столкнется, следовательно, с "окрошкой" из совершенно разных по природе вариантов тучности. Биометрический анализ таких данных даст возможность установить наследуемость тучности, но не позволит понять причины ее развития в отдельных семьях.

Генетические различия в потреблении алкоголя. Другой вид поведения, широко исследовавшийся на мышах и крысах, состоит в склонности к потреблению алкоголя и связан с чувствительностью к наркотическому действию этого вещества. Для этого признака не было обнаружено какого-либо одного гена, но сопоставление инбредных линий и эксперименты по отбору, проведенные после появления в 1949 г. пионерской работы Уильямса [2243], показали, что значительная доля изменчивости, связанной с потреблением алкоголя, имеет генетическую природу [2191]. Различия в предпочтении алкоголя у инбредных линий мышей были выявлены в ситуации, когда животным позволяли выбирать между водой и алкоголем. Животные линии С57В1 потребляют в среднем около двух третей дневной нормы жидкости из поилки с 10%-ным раствором алкоголя. Мыши некоторых линий, в особенности DBA/2, почти полностью избегают алкоголя, а другие демонстрируют промежуточное поведение (рис. 8.5) [2182].

Рис. 8.5. Различия в предпочтении алкоголя у ряда инбредных линий мышей (коэффициент предпочтения равен отношению потребляемых алкоголя и воды). Представлены средние (●) и стандартные отклонения (отрезки прямой) [2182]

Различия между линиями обнаружены и в чувствительности к действию алкоголя. Время сна после внутрибрюшинного введения анестезирующей дозы алкоголя оказалось коротким у мышей линии С57В1, характеризующейся наиболее высокой степенью предпочтения алкоголя. Оно было намного больше у линии DBA/2, уклоняющейся от приема алкоголя, и оказалось еще большим у линии BALB/C. Интересные результаты были получены при изучении действия алкоголя на спонтанную двигательную активность. У мышей С57В1 активность существенно снижалась, у мышей BALB/C - оставалась неизменной, а активность мышей линии СЗН после введения алкоголя увеличивалась [2127].

Таким образом, межлинейные различия в реакциях мозга на алкоголь носят не просто количественный характер - действие может иметь противоположный знак. Данные относительно влияния потребления алкоголя и алкоголизма у людей (разд. 8.2.3.5) позволяют сделать аналогичные выводы.

Количественные различия в исследовавшихся параметрах, например в продолжительности сна, могут быть обусловлены либо разницей в скорости метаболизма алкоголя, либо разницей в чувствительности к нему мозга. Анализ содержания алкоголя в крови и в ткани мозга в разное время после введения, сравнение скорости выведения алкоголя показали, что эти параметры практически одинаковы у животных двух линий С57В1 и BALB/C., наиболее отличающихся по продолжительности сна. Следовательно, обнаруженные различия по продолжительности сна должны быть связаны с разной чувствительностью мозга к алкоголю. (Аналогичные данные имеются для человека [2161].) Какие-либо сведения о соответствующих биохимических механизмах отсутствуют. Однако склонность к алкоголю зависит еще от метаболических процессов в печени: между линиями выявлены различия в активности алкогольдегидрогеназы и альдегид-дегидрогеназы [2194].

При скрещивании инбредных линий, характеризующихся высокой и низкой склонностью к потреблению алкоголя (С57В1/6 и DBA/2), было установлено, что различия между линиями контролируются двумя локусами или двумя независимыми кластерами тесно сцепленных локусов. Предполагают, что низкая склонность к алкоголю линии DBA обусловлена большим накоплением ацетальдегида вследствие малой активности ацетальдегид-дегидрогеназы [2046].

Чтобы использовать эти данные для анализа проблемы алкоголизма у человека, необходимо исследовать корреляции между склонностью к алкоголю и другими характеристиками поведения. Скорее всего алкоголизм у людей является результатом сложного взаимодействия между генетически детерминируемыми свойствами печени, мозга и других тканей и характером поведения, на которое влияет социальное окружение. Более подробно этот вопрос мы обсудим в разд. 8.2.3.5.

Эмоциональная реактивность у крыс и алкоголь. Путем отбора Модели вывел реактивную и ареактивную линии крыс. Критерием эмоциональной реактивности служила частота актов дефекации при помещении животных в новую обстановку, вызывающую легкий стресс. У животных двух полученных линий затем сравнили степень предпочтения 5%-ного раствора алкоголя и общее потребление алкоголя. Ареактивная линия продемонстрировала значительно более высокий средний уровень кровяного давления, чем реактивная [2007]. С наивной, антропоморфической точки зрения можно было бы ожидать противоположный эффект. Когда оказалось, что предпочтение алкоголя обусловлено главным образом его калорийностью, а не психофармакологическим действием [2182; 2115], простая экстраполяция выводов из экспериментов на крысах на человека стала невозможной.

Способность к обучению. Одна из наиболее важных способностей человека - это способность извлекать знания из жизненного опыта. Психология обучения является хорошо развитой областью современной психологии. Три примера проиллюстрируют попытки анализа проблемы взаимодействия генетических и обусловленных средой факторов изменчивости.

1. Простой тип наследования способности к обучению условной реакции избегания. Животных помещают в клетку с полом, через который можно пропускать электрический ток. Этот ток вызывает легкую боль, избежать которую можно, перепрыгнув в другой отсек клетки. Когда животное освоит эту реакцию, о включении тока сигнализируют вспышкой света, и животное быстро обучается перепрыгивать в безопасный отсек, как только увидит вспышку. Измеряют число вспышек, необходимое для обучения этой условной реакции.

Исследование нескольких инбредных линий мышей выявило определенные различия между ними, и анализ результатов крупномасштабных экспериментов по скрещиванию линий с крайними вариантами реакций показал, что в основе этого различия лежит простой моногенный тип наследования. Обмен новорожденными между двумя линиями сразу же после рождения не влиял на характерную для линии способность к обучению. Характер поведения нельзя было изменить даже имплантацией оплодотворенной яйцеклетки одной линии в матку животного другой линии. Два этих факта - простой тип наследования и неэффективность раннего материнского влияния - показывают, что линейные различия в обучении реакции избегания должны определяться генетически [2013].

Эти данные, однако, не означают, что влияние среды совершенно не сказывается на генетически детерминируемой способности к обучению. Такие модификации возможны, и они проанализированы в специально поставленных экспериментах в лабиринте.

2. Наследственность и среда при обучении в лабиринте. Чтобы добраться до источника пищи, крыс заставляют пройти по лабиринту. Основываясь на скорости достижения отдельными особями этой цели и на количестве сделанных ошибок, можно отделить "умных" крыс от "глупых". В генетически гетерогенной популяции селекция в течение семи поколений приводит к выделению двух практически не перекрывающихся субпопуляций. Самые "глупые" крысы "умной" группы оказываются умнее, чем самые "умные" животные из группы "глупых". Эти данные указывают на заметную генетическую изменчивость исходной популяции по способности к обучению в лабиринте.

Одна из многих модификаций этого эксперимента особенно важна для формулирования гипотезы о способности к обучению у человека [2023]. После выведения линий "умных" и "глупых" крыс из детенышей обеих линий были сформированы три группы. Крысят одной группы выращивали в обычных условиях. Вторая группа с момента рождения имела ограниченные возможности для исследовательской и познавательной активности. Животные третьей группы росли в сенсорно обогащенной среде: стена клетки была расписана в модернистской манере, внутри клетки были трапы, зеркала, мячи и туннели. Результаты этого исследования представлены на рис. 8.6. Межлинейные поведенческие различия в лабиринте выявляются только в группах, которые росли в стандартной (или обычной) среде. Депривированные крысы обеих линий обнаружили большое число ошибок, а крысы обеих линий, выросшие в "роскоши", решали задачу почти одинаково хорошо.

Рис. 8.6. Результаты обучения в лабиринте 'умных' и 'глупых' крыс, выросших в ухудшенных, обычных и улучшенных условиях. Наблюдается четкое различие показателей обучения в случае нормальной среды. Различие почти целиком исчезает при росте крыс в ухудшенных и улучшенных условиях (данные из работы Купера и Зубека [2023])

Было бы, конечно, преждевременно делать вывод о том, что у людей соответствующее окружение может сгладить все врожденные различия в способности к обучению. Кроме того, обучение животных в лабиринте, как показывают многие эксперименты, отличается от способности к обучению у человека. Однако из опыта следует, что у крыс депривация в раннем возрасте наносит вред успешному решению задач в последующем. С другой стороны, среда, богатая возможностями приобретения разнообразного опыта, может улучшить способности к обучению. Это заключение соответствует аналогичному предположению, высказанному на основании результатов исследования людей [168].

3. Психосексуальному поведению тоже нужно научиться. У двух инбредных линий морских свинок сравнивали последовательность действий, входящих в половое поведение. Обе линии продемонстрировали более низкую половую активность, чем гетерозиготная популяция, и, кроме того, между линиями были выраженные различия. Для одной из них характерен длительный период ухаживания, тогда как особи другой приступали к копуляции практически без подготовительных действий. Чтобы решить вопрос о влиянии обучения на половое поведение, сравнили по этому признаку самцов, которые росли вместе с самками, с теми самцами, которые с 25-дневного возраста содержались в изоляции. Подопытных в возрасте 77 дней подсаживали к самкам, находящимся в периоде течки. Только 6% выросших в изоляции самцов одной из линий осуществили эйякуляцию в отличие от 84% контрольных животных. Сходные результаты продемонстрировали самцы другой линии. Этот опыт показывает, как велико значение среды для развития нормального полового поведения. С другой стороны, влияние генетической компоненты очевидно из межлинейных различий в поведении [2223; 2224].

Попытки выяснения биологических механизмов различий в поведении. Эксперименты на животных могут быть средством выяснения биологических механизмов межиндивидуальных различий в поведении [2021; 2181].

Выше упоминалось о различиях в обучении реакции избегания у мышей, наследуемых по простому менделевскому типу. Мозг использовавшихся в этих экспериментах животных был подвергнут тщательному морфологическому исследованию. Особое внимание было уделено области гиппокампа, так как более ранние исследования указывали на связь именно этих участков с определенными аспектами обучения. Оказалось, что выработка реакции избегания во многом зависит от протяженности области окончания мшистых волокон, отражающей число синапсов в системе связей между зубчатой извилиной и гиппокампом. Животные с протяженной зоной окончания мшистых волокон и, следовательно, с большим числом синапсов хуже обучались, чем животные, у которых эта особая область была менее развита. Корреляция между особенностями поведения и определенной деталью морфологии мозга могла бы быть случайной и отражать два различных признака инбредных линий мышей. В пользу причинных взаимоотношений между ними говорили результаты двух других экспериментов: такую же корреляцию продемонстрировали крысы, селекционировавшиеся по различиям в обучении реакции избегания, и генетически гетерогенные мыши, у которых проверяли индивидуальные способности к обучению реакции избегания и затем исследовали мозг [2207; 2208]. Последующие биохимические исследования показали, например, что тироксин влияет как на обучение избеганию, так и на проекцию мшистых волокон [2117а]. Эти исследования не только вносят вклад в понимание биологических основ модификации поведения, но и порождают вопросы относительно понятия "обучение". Интуитивно можно было бы ожидать корреляции противоположного знака, предполагая, что много синапсов формируется для обеспечения высоких способностей к обучению. Однако на феноменологическом уровне существуют другие виды модификации поведения или обучения, которые лишь слабо коррелируют или вообще не коррелируют с обучением двусторонней реакции избегания. Хотя экстраполировать на человека результаты экспериментов на животных, особенно в области нейробиологии, следует с большой осторожностью, тем не менее опыты на животных, несомненно, могут помочь при объяснении отдельных сторон обучения у человека. Предпринимались попытки установить связь между биохимическими характеристиками и поведением.

Различия были обнаружены, например, в эндокринной системе "эмоциональных" и "неэмоциональных" крыс. Эмоционально реактивные самцы имели надпочечники и щитовидные железы более крупных размеров. У человека эндокринная система оказывает на мозг одно из наиболее мощных влияний.

Попытки выявления взаимоотношений между поведенческими признаками и биохимическими характеристиками работы мозга представляют большой интерес. В этом плане особенный интерес в последнее время вызывают нейромедиаторы. Нейромедиаторы - это вещества, которые передают информацию от одного нейрона к другому через синапс (разд. 8.2.3.6). Их изменения в условиях нормального и психотического поведения у людей привлекли в последние годы большое внимание. Более ранние исследования показали, что уровень холинэстеразы в некоторых областях мозга "умных" крыс выше, чем у "глупых" [2107]. Относительно недавно [2021; 2022] обнаружены различия в поведении двух родственных между собой сублиний инбредной линии мышей - BALB/cJ и BALB/cN. Самцы сублинии BALB/cJ агрессивны и немедленно атакуют других самцов, помещаемых в их клетку, в то время как самцы BALB/cN миролюбивы. Это различие в поведении не связано с более высокой общей активностью первой сублинии, поскольку по общему уровню двигательной активности сублинии не отличаются; оно является специфичным проявлением "драчливости". Опыты с перекрестным вскармливанием показали, что влияние матери нельзя считать причиной этого вида агрессивности. В ткани надпочечников и мозга этих животных была исследована активность ряда ферментов, включенных в метаболизм важной группы нейромедиаторов - катехоламинов (разд. 8.2.3.6). Уровень трех ферментов - тирозингидроксилазы, дофамин-β-гидроксилазы и фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы - оказался выше в надпочечниках мышей агрессивной сублинии BALB/cJ (табл. 8.1). Различия в ткани мозга имели тот же характер, но были менее выражены и не достигали значимого уровня.

Таблица 8.1. Уровни ферментов биосинтеза, участвующих в метаболизме катехоламинов в надпочечниках мышей сублинии BALB/c [2022]

Активность каждого фермента выражается в количестве продукта, образованного за 1 ч парой надпочечников. Во всех случаях различия между родителями с высокой и низкой активностью и между F₁ и любым из родителей статистически значимы.

Скрещивание двух сублиний продемонстрировало различие в одной паре генов: неагрессивность доминировала над агрессивностью. Активность всех трех ферментов сегрегировала вместе с поведенческим признаком. Вполне возможно, что повышение активности этих ферментов обусловлено снижением уровня их деградации. Помня о тех изменениях, которые вызывают в белках мутации, и о потенциальных последствиях таких изменений для функции фермента, предложим ряд гипотез для объяснения этих данных. Например, все три фермента могут содержать одинаковую полипептидную цепь, изменяемую мутацией; может быть уменьшена активность фермента, осуществляющего деградацию; три структурных гена могут быть тесно сцеплены между собой и, наконец, может произойти мутация регуляторного гена, который влияет на все три структурных гена. Возможно также, что тип наследования не является моногенным. В любом случае наличие корреляции между уровнем ферментов и агрессивным поведением не обязательно означает, что высокий уровень ферментативной активности и, следовательно, высокий уровень образования катехоламинов вызывают такое поведение. Поскольку, однако, другие эксперименты также указывают на возможную роль катехоламинов в агрессивном поведении, причинные взаимоотношения представляются по крайней мере вероятными.

Поведенческие различия между инбредными линиями мышей (в отношении продолжительности каталепсии), обнаружены и после введения галоперидола - вещества, которое связывается с рецепторами к нейромедиатору дофамину. Ожидаемые различия в связывании вещества были выявлены на самом деле; они свидетельствуют о генетических различиях в регуляции ряда дофаминовых рецепторов в базальных ганглиях [2192].

Возможное значение экспериментов на мышах и других млекопитающих для генетического анализа поведения человека. Эксперименты на животных, особенно на млекопитающих, позволяют сформулировать предположения, которые можно проверить на человеке. С другой стороны, предположения, возникающие на основе определенных наблюдений над человеком, можно подвергнуть более строгой проверке в экспериментах на животных. Приведенные выше примеры уже показали два различных подхода к проблеме генетической детерминации поведения.

1. Сравнение инбредных линий и эксперименты по селекции первоначально предназначались для того, чтобы обнаружить генетическую изменчивость. Эксперименты обычно планируются так, чтобы степень изменчивости можно было выразить количественно. Этот подход часто позволяет анализировать вклад в изменчивость генетических факторов и влияния среды.

2. Очень часто, однако, такой вид анализа оказывается неудовлетворительным, поскольку не дает конкретных ответов. Чтобы прояснить механизмы генетически определяемой изменчивости поведения, необходимо исследовать морфологические, физиологические (обычно - нейрофизиологические) или биохимические характеристики. Удовлетворительных результатов этот анализ достигает тогда, когда изменчивость можно проследить до уровня мутации одиночного гена.