06.10.2014

Мыши с человеческим вариантом «гена речи» быстрее переключаются между разными формами обучения

Foxp2 — так называемый «ген речи» — первый из обнаруженных генов, непосредственно влияющих на речевую функцию. Белок Foxp2 у человека и у шимпанзе отличается всего двумя аминокислотными заменами, однако эти замены очень важны для человека. Замены были приобретены достаточно быстро (за 4–8 млн лет), но, в то же время, вся последовательность гена в настоящий момент отличается поразительным отсутствием изменчивости, что подтверждает важную роль и самого гена Foxp2, и новоприобретенных людьми замен. В работе, недавно опубликованной в журнале PNAS, исследовались способности к обучению у мышей, которым в ген Foxp2 были внесены характерные для человека замены. Было выявлено, что мыши с «очеловеченным» Foxp2 способны быстрее переключаться с декларативного обучения на процедурное. Возможно, такая способность оказалось важным базисом для последующего развития языка и речи у людей.

По поводу происхождения речи существует огромное количество спекуляций, а вот фактических данных не так уж и много. Один из способов исследования этого вопроса — это выявление генов, работа которых влияет на речь. Можно предположить, что такие гены человека должны определенным образом отличаться от аналогичных генов других животных и что функционирование таких генов должно каким-то образом способствовать развитию языка и речи.

Обнаружить такие гены можно, анализируя генотипы людей с различными патологиями речи и выявляя отличия от здоровых людей. Особенный интерес представляют наследственные заболевания, для которых можно с уверенностью сказать, что патология речи вызвана именно влиянием генов, а не, к примеру, травмой. В Лондоне проживает одно семейство (в литературе обозначается как «семья КЕ», см. KE family), примерно половина членов которого страдает врожденной вербальной диспраксией — заболеванием, для которого характерны нарушения артикуляции и косноязычие, а также трудности с анализом речи. Например, людям с таким заболеванием трудно определить, из каких звуков состоит слово, или написать список слов, начинающихся на одну и ту же букву. Было выявлено, что у членов семьи КЕ, страдающих этим заболеванием, происходит замена всего лишь одной аминокислоты в белке Foxp2, выполняющем функции транскрипционного фактора (такие белки способны связываться с ДНК и регулировать работу определенных генов).

Через некоторое время появились данные о мальчике с похожим расстройством речи, у которого тоже была нарушена функция гена Foxp2 (в его случае произошел перенос фрагмента другой хромосомы, который встроился в этот ген и нарушил его работу). Так был обнаружен единственный известный на сегодня ген, функции которого однозначно связаны с речью. Cравнение человеческого варианта этого гена с аналогичными генами человекообразных обезьян и мышей подтвердили его значимость для человека. Человекообразных обезьян отличает от мышей лишь одна замена аминокислоты в белке Foxp2, которую они успели приобрести за 130 млн лет, прошедших с момента отделения этих видов от их общего предка, а от человека — две аминокислотные замены, при том что с момента отделения шимпанзе и человека от их общего предка прошло лишь 4–8 млн лет. Важно также, что мутации в этом гене у современных людей очень редки (упомянутая семья КЕ, а также мальчик с хромосомной транслокацией — это все известные примеры). Такое отсутствие изменчивости косвенно подтверждает значимость этого гена для человека.

Итак, нарушения в последовательности гена Foxp2 у людей вызывают ухудшение речи. Но даст ли, наоборот, «человеческий» вариант гена какие-то преимущества другим животным? В 2009 году были получены линии мышей, у которых в мышиный вариант гена Foxp2 были внесены замены, характерные для человека (см. статью W. Enard et al., 2009. A humanized version of Foxp2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice). Конечно, исследователи не рассчитывали получить говорящих животных, но вполне можно было предположить, что у таких мышей изменятся режимы работы некоторых генов (поскольку Foxp2 — это транскрипционный фактор). Эти изменения можно было бы считать базисом, необходимым для развития речи и языка в дальнейшем ходе эволюции.

Интересно, что все отличия мышей с «человеческим» Foxp2 от обычных мышей касались мозга: у них были изменены активности некоторых генов в полосатом теле, а также уменьшен уровень дофамина. Также мыши с «очеловеченным» Foxp2 отличались менее активным исследовательским поведением (при помещении в незнакомую среду передвигались медленнее и на меньшие расстояния, исследовали меньшее количество укрытий). Это походило скорее на побочный эффект, чем на механизм, с помощью которого «очеловеченный» вариант гена может способствовать возникновению речи. Кроме того, у мышей с разными вариантами гена Foxp2 несколько отличались частотные характеристики звуков, которые издавали мышата, если их разлучить с матерью. Таким образом, были получены интересные данные, но механизм влияния Foxp2 на речевые навыки остался непонятым.

И вот на днях были опубликованы результаты более подробного исследования мышей с «очеловеченным» Foxp2, в котором анализировались их способности к обучению.

Различают декларативное и процедурное обучение: в первом случае обучение происходит сознательно, во втором — вследствие многократного повторения одного и того же действия. У человека опознать эти две формы обучения легко, поскольку в случае декларативного обучения человек может в любой момент «дать отчет» о том, что именно он делает и с какой целью. В случае же процедурного обучения человек просто механически повторяет одно и то же действие, для чего нет необходимости сосредотачивать на нем сознание.

Экспериментальные животные ни в каком случае не могут дать отчет о своих действиях, поэтому, чтобы отличить декларативное обучение от процедурного, приходится придумывать специальные эксперименты, которые позволили бы предположить у них наличие какой-то направленной, сознательной деятельности. Для этих целей ученые использовали крестообразный лабиринт, в который мышей можно сажать с «северного» или «южного» входа (рис. 2). Если угощение ожидает мышь всегда после того, как она повернет, к примеру, направо, то мышь научится просто механически всегда поворачивать направо, в каком бы месте лабиринта она изначально не оказалась. Такое обучение — процедурное. Зато если угощение будет ждать мышь в конкретном месте лабиринта, то мыши придется научиться определять, куда конкретно ее поместили вначале и куда ей нужно повернуть, и такое обучение — декларативное.

Выяснилось, что если мышам требуется обучаться лишь по одному определенному типу — либо декларативному, либо процедурному, — то нет никаких различий между обычными мышами и мышами с «очеловеченным» вариантом гена Foxp2: они обучаются одинаково быстро. Но оказалось, что мыши с «очеловеченным» Foxp2 быстрее могут переключиться с обучения по декларативному типу на обучение по процедурному типу. Возможно, способность быстрее перейти к «автоматическому» режиму запоминания критически важна для изучения языка и послужила базисом, на котором впоследствии и смогла развиться человеческая речь.

Конечно, маловероятно, чтобы за такую сложную функцию, как речь, отвечал всего лишь один ген. Однако известны примеры, когда активность единственного гена может запускать весьма сложные процессы. Так, ген Pax6, который, так же как и Foxp2, кодирует транскрипционный фактор, способен «в одиночку» запустить процесс формирования глаза у мушки дрозофилы, что было подтверждено в экспериментах с искусственной активацией гена Pax6 в различных частях тела дрозофилы (см. G. Halder et al., 1995. Induction of ectopic eyes by targeted expression of the eyeless gene in Drosophila). При этом Pax6 косвенно или напрямую воздействует на активность около 2500 генов. Возможно, Foxp2 также является «спусковым крючком», запускающим сложную систему межгенных взаимодействий, необходимых для нормальной речи.

Источник: C. Schreiweis et al. Humanized Foxp2 accelerates learning by enhancing transitions from declarative to procedural performance // PNAS. V. 111. No. 39. DOI:10.1073/pnas.1414542111.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru