Строение мозга и действие генов

8.6.7.1. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАССЫ МОЗГА. Внутривидовая изменчивость строения мозга затрагивает его абсолютный размер, относительную величину, а также количественную изменчивость отдельных мозговых образований. Показано, что у мышей гетерогенных популяций и у представителей инбредных линий абсолютные и относительные размеры мозга сильно варьируют. Так, например, у линии DBA/2J средняя масса мозга достаточно мала и сильно отличается от средней величины, полученной для всех исследованных линий, а у линии BALB/c она наибольшая: соответственно 430 и 550 мг.

Оценки внутрилинейной и межлинейной изменчивости в ряду 25 инбредных линий позволили определить, что вариация веса мозга у мышей имеет генетическую компоненту. Это было подтверждено и в нескольких успешных экспериментах по селекции мышей на большую и малую массу мозга (Wimer et al., 1969; Попова и др., 1976; 1996; Fuller, 1989).

Остановимся несколько подробнее на одном из таких экспериме-тов, проведенном в лаборатории физиологии и генетики биологического факультета МГУ (Попова и др., 1977). Генетически гетерогенная популяция, на основе которой был начат селекционный эксперимент, была получена в результате скрещиваний в течение 4 поколений мышей нескольких инбредных линий (СВА, DBA/2J, C57BL/6J, C57BR/cd, BALB/c и А/Не).

Отбор животных для получения каждого последующего поколения проводили на основе линии регрессии, построенной для двух скорре-лированных признаков – веса тела и веса мозга у взрослых особей.

Половину особей каждого помета забивали и определяли у них вес мозга и вес тела. Если большая часть точек (каждая из которых отражала данные по одному животному) попадала за пределы доверительного интервала при данном весе мозга, то остальных мышат этого помета брали на скрещивание для получения следующего поколения линий, соответственно с большим или малым весом мозга. В тех случаях, когда у мышей одного помета значения веса мозга группировались вблизи линии регрессии или имели значительный разброс, весь помет из дальнейшей селекции исключался. Во всех последующих поколениях селекции линию регрессии рассчитывали отдельно для каждой линии.

Межлинейные различия в весе мозга во всех селекционных экспериментах были достоверны, их абсолютная величина составляла 70– 90 мг, т.е. примерно 15–20% от среднего веса мозга. Отметим, что при подобной селекции отмечались также и скоррелированные изменения в весе тела, но, поскольку критерии отбора были основаны не на абсолютных величинах, а на положении соответствующих точек на линии регрессии, различия оставались незначительными и сопоставимыми по величине с естественными вариациями признака.

Какие же изменения в строении и функции мозга вызывает подобная селекция? На основании нескольких селекционных экспериментов можно считать установленным, что мыши, селектированные на большой вес мозга, обладают более высокой способностью к обучению. Эти различия были обнаружены при обучении животных на основе пищевой мотивации, а также при выработке реакции избегания удара электрического тока.

Более высокую обучаемость мышей с большим весом мозга, таким образом, нельзя объяснить случайной ассоциацией генетических факторов, возникшей в ходе искусственного отбора, поскольку данный эффект наблюдался в разных парах селектированных линий. Темпы созревания рефлексов в раннем онтогенезе также имели устойчивые различия: мышата из линий с малым весом мозга развивались быстрее (Попова, 1986). Возможно, что более высокая способность к обучению как проявление большей пластичности ЦН С может оказаться скоррелированной с более медленными темпами созревания нервных клеток и межклеточных контактов.

Иными словами, оба эти свойства мозга могут находиться под влиянием каких-то сходных факторов, выраженность которых у мышей, селектированных на большой вес мозга, оказывается устойчиво более высокой.

Еще одним устойчивым различием, проявившимся по крайней мере в двух селекционных экспериментах, была более высокая судорожная готовность мышей, селектированных на малый вес мозга. Как при судорогах, вызываемых ударом тока, так и при судорогах, спровоцированных фармакологическими агентами – пентилентет-разолом и стрихнином, мыши с малым весом мозга были достоверно более чувствительными (см.: Богданов и др. 1994). Причины этого феномена остаются неясными, а их исследование может быть важным для выявления генетического контроля эпилептогснеза в целом (см.: 8.6.5.1).

Морфологические и цитоархитектонические исследования различий между данными линиями в эксперименте Н.В. Поповой выявили одно чрезвычайно интересное обстоятельство. У мышей, селектированных на большой вес мозга, площади новой, старой и древней коры были больше, а новая кора отличалась особым типом "упаковки" клеточных элементов. У мышей с большим весом мозга корковые клетки располагаются в виде более плотных скоплений, разделенных пространствами с реже расположенными клетками. Возможно, что эта особенность строения мозга мышей, селектированных на его большой вес, каким-то образом связана с их более низкой подверженностью судорогам, о которой говорилось выше (Попова и др., 1983).

8.6.7.2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛОЩАДИ ПРМРПОЛЯ САЗ ГИП-

ПОКАМПА.В 1971 г. была опубликована работа американских исследователей Р. и Ц. Ваймеров и Т. Родерика (Wimer et al., 1971), в которой они сопоставили способность мышей генетически гетерогенной популяции к обучению пассивной реакции избегания удара электрического тока (при единственном предъявлении) с размерами гиппокампа. Далее мозг этих животных исследовали методами морфометрии для определения объема гиппокампа. Оказалось, что чем больше был размер гиппокампа, тем эффективнее было пассивное избегание у данного животного. Таким образом, впервые была установлена достоверная положительная корреляция между изменчивостью этой структуры мозга и изменчивостью поведения.

Исследования в этом направлении были продолжены. Сопоставление нейрогистологических препаратов мозга большого числа линий и популяций мышей и крыс выявило межлинейные различия целого ряда отделов гиппокампа. Встал вопрос о реальном существовании связи между строением гипппокампа и поведением. Эти исследования были начаты в 70-х годах Х.-П. Липпом и соавт. (см.: Lipp et al., 1989). Первоначально для такого анализа была выбрана наиболее популярная в то время условная реакция избегания в челночной камере. Выше (см.: 8.6.3.2) упоминалось о недостатках данной методики. Индивидуальную изменчивость темпов обучения этой реакции исследователи рассматривали как зависимую переменную, тогда как в качестве независимой переменной взяли вариабельность площади терминального поля – зоны окончания мшистых волокон, аксонов гранулярных клеток зубчатой фасции гиппокампа на апикальных дендритах пирамидных нейронов поля САЗ. Мшистые волокна оканчиваются в пирамидном слое крупными синоптическими бляшками. Зоны окончаний формируют два четких синаптичес-ких поля, две области проекции. Одна из них располагается непосредственно над пирамидными нейронами поля САЗ и называется супрамирамидным слоем. Вторая, меньшая по объему, располагается ниже или внутри слоя пирамидных клеток. Эта область называется слоем интра- и инфрапирамидных мшистых волокон, iipMF. В дальнейшем были разработаны методики определения размеров этой области. На основе количественных данных по площадям данной области на серийных горизонтальных срезах мозга, окрашенных по методу Тимма (выявление цинксодержащих участков нейронов гиппокампа), можно определить объем всей структуры (Lipp, Wolfer, 1995).

В исследованиях Х.-П. Липпа и его коллег быстроту формирования навыка избегания удара электрического тока в челночной камере сопоставляли с размером именно этой изменчивой структуры мозга у животных разных генетических групп. Объектами с высоким уровнем генетической и фенотипической изменчивости размеров iipMF были селектированные линии крыс с четкими различиями поведения и инбредные линии мышей с разной скоростью обучения навыку избегания тока. Было проанализировано также и поведение гибридных животных, полученных от скрещивания линий, контрастных по изучаемым признакам. Кратко дадим результаты этой серии исследований (Lipp et al., 1989).

Селектированные линии крыс.Размер iipMF оценивали у двух линий крыс, селектированных на высокую и низкую способность к обучению избеганию в челночной камере – линии Roman High (RHA), и Roman Low Avoidance (RLA) (см.: 8.6.3.2).

Строение гиппокампа у этих линий различно. У RHA были толще поверхностный слой moleculare-lacunosum и слой базальных дендри-тов stratum oriens. У RLA была больше площадь обеих зон окончаний мшистых волокон. Иными словами, обнаруживалась отрицательная корреляция между площадью проекции мшистых волокон и способностью к обучению реакции избегания тока в челночной камере.

Таким образом, в результате селекции крыс по способности к обучению данной реакции в этих линиях произошли изменения морфологии гиппокампа. Следует помнить, что подобная ассоциация признаков, возникшая в результате селекции, может быть случайной, т.е. эти признаки могут быть и не связанными друг с другом общей причиной. Выше (см.: 8.6.2) упоминалось, что, поскольку при селекции обычно используется малое число животных, может произойти случайное закрепление в линии того или иного сочетания несцепленных между собой аллелей. Чтобы выяснить, не является ли подобная корреляция случайной, необходимо либо повторить селекцию, либо провести дополнительный анализ связи обнаруженных феноменов на других объектах, либо проанализировать корреляцию признаков у гибридов "расщепляющихся" поколений (F2, РЗи др.).

Инбредные линии мышей.У 7 инбредных линий – DBA/2, СЗН/Не, BALB/c, C57BL/C, NMRJ, ICR, SM/J - также проанализировали корреляцию площади терминальных полей мшистых волокон и показателей поведения в челночной камере. Сильная и высокодостоверная отрицательная корреляция была выявлена между размером iipMF и обучаемостью: -0,92. Корреляций с размерами других структур гиппокампа не обнаружилось.

Рандомбредная популяция мышей.Итак, если такая корреляция действительно отражает причинную связь между размером данного синаптического поля и обучаемостью в челночной камере, то подобную связь можно найти и в генетически гетерогенной популяции животных, полученной в результате случайного скрещивания нескольких контрастных по этим признакам генотипов. Эксперименты это подтвердили: величина корреляции была -0,82.

Уже совокупность приведенных фактов позволила предположить существование причинной связи между особенностями строения гиппокампа и поведением, однако были получены и другие подтверждения такой ассоциации признаков.

Линии крыс В, Н, ВЛи НЛ. В Институте физиологии им. Павлова АН СССР к середине 70-х годов существовали две пары селектированных линий крыс. Первая пара линий (В и Н) была выведена с отбором на высокий и низкий пороги нервно-мышечной возбудимости, вторая (ВЛ, НЛ, или КНА и KLA, см.: 8.6.3.2) – на скорость образования условной реакции активного избегания в челночной камере. Оказалось, что у крыс линии НЛ площадь iipMF была выше, чем у контрастной линии. В то же время крысы, селектированные на разную величину порога нервно-мышечной возбудимости (В и Н), не различались по площади проекции, но обучались с разной скоростью: у крыс Я обучение шло успешнее. Этот результат, разумеется, не был неожиданным, поскольку такой сложный признак, как обучение избеганию удара тока может зависеть и от характеристик периферической нервной системы.

Крысы, селектированные на разную частоту самостимуляции.Исследование 2 пар таких линий показало, что они различаются по размеру iipMF и по уровню реакции избегания, и эти признаки также оказались скореллированными.

Мыши инбредных линий. Генетический анализ.Ранее было показано, что инбредные линии мышей DBA/2 и СЗН контрастны и по величине iipMF, и по способности к обучению избеганию. В специальном эксперименте были получены гибриды второго поколения от скрещивания этих линий и проанализированы индивидуальные корреляции все тех же двух признаков. Высокая отрицательная корреляция размера площади проекции ПрМРтл успеха обучения в челночной камере была обнаружена и в этом исследовании.

Мыши инбредных линий. Диаллельное скрещивание.Как рассматривалось выше (см.: 8.6.6.2), в таком эксперименте анализируют признаки у гибридов первого поколения от скрещивания животных нескольких генотипов. При этом изменчивость признака внутри группы (т.е. между особями с идентичным генотипом) связана с влиянием средовых факторов, тогда как межгрупповые различия определяются еще и генетической изменчивостью.

Анализ изменчивости процесса обучения у гибридов от диаллель-ного скрещивания пяти инбредных линий мышей показал, что параметры выработки условной реакции избегания удара электрического тока в первый день обучения имеют наибольшую величину генетической изменчивости. На 5-й день обучения значительная вариабельность ответов наблюдается только внутри групп, из чего следует вывод о средовой природе этой изменчивости.

Иными словами, наибольшие связанные с генотипом вариации поведения обнаруживаются на начальных стадиях обучения. Оценка размеров НрМРъ этом эксперименте также показала существование отрицательной корреляции между величиной данного проекционного поля и быстротой усвоения навыка.

Эксперименты с тироксином.Если данная корреляция отражает причиннную зависимость между размером мозга и быстротой образования временной связи, то попытка изменить площадь iipMF путем воздействия на развивающийся мозг должна привести к изменениям в уровне обучения навыку избегания. Введение новорожденным крысятам тироксина ускоряло физическое развитие животных и развитие их поведения. В целом площадь iipMF проекций у взрослых крыс RHA, получавших тироксин, была большей и более изменчивой, чем у контрольных животных, а способность их к обучению обнаружила такую же корреляцию, как и в предыдущих экспериментах. Размер других структур гиппокампа у крыс после введения тироксина также варьировал, но корреляции с показателями обучения навыку избегания выявить не удалось. Аналогичные данные были получены при неонатальном введении тироксина и на мышах линий BALB/CH DBA (Lipp et al., 1989).

Исследовательская и локомоторная активность в "открытом поле".Следует отметить, что условная реакция активного избегания – это навык, с необходимостью формирования которого животные встречаются только в условиях эксперимента. В естественных и приближенных к естественным условиях существования животные, в том числе мыши и крысы, никогда не сталкиваются с ситуацией, когда, избежав опасности и попав в "безопасное" место, они снова слышат сигнал опасности и начинают воспринимать данную ситуацию как угрожающую. Иными словами, существование зависимости между обучением избеганию тока и площадью iipMF не дает достаточной информации для суждения о морфофизиологических механизмах адаптивных реакций. В связи с этим вызывал интерес характер зависимости других признаков поведения от величины площади iipMF.

Для ее изучения было выбрано исследовательское поведение в установке "открытое поле" мышей разных линий. Уровень исследовательской активности по ряду показателей оценивали в течение 20 мин теста в "открытом поле" (Crusio, 1995) с использованием схемы диаллельного скрещивания. У гибридов мышей инбредных линий можно было оценить не только фенотипические, но и генетические корреляции между признаками поведения и нейрогистоло-гическими показателями. Полученные данные суммарно автор интерпретировал следующим образом. Мыши, имеющие большую по величине площадь проекции iipMF, всего за 20 мин достаточно эффективно собирают информацию о новой среде, в которую их поместили. И уровень страха (по интенсивности дефекации), и уровень исследовательской активности у них оказываются невысокими: обстановка теста быстро теряет для них новизну, и названные показатели поведения снижаются по ходу опыта сильнее, чем у мышей, с меньшей величиной iipMF. Действительно, у инбредных линий мышей, селектированных X. Ван-Абиленом на высокую и низкую частоту "стоек" в тесте "открытого поля" (см.: 8.6.2.1), В. Крузио нашел положительную корреляцию этого поведения с площадью iipMF.

В последующем были проанализированы другие признаки поведения, в частности обучение в так называемом радиальном лабиринте. Этот лабораторный тест был разработан американским исследователем Д. Элтоном (Olton, 1977) для исследования пространственной памяти животных.

Обучение животных в радиальном лабиринте считается тестом, который оценивает функции памяти, связанные с гиппокампом (Olton et al., 1979). Успешность обучения в радиальном лабиринте мышей, различающихся по величине iipMF, положительно коррелировала с размером этой структуры (Schwegler, Lipp, 1995).

Другим тестом на способность к ориентации в пространстве и, следовательно, на уровень развития функции гиппокампа, считается ставший очень популярным тест в водном лабиринте Морриса (Morris, 1984). Этот тест предполагает, что мышь (крыса), плавая в непрозрачной воде небольшого бассейна, может научиться находить невидимую, скрытую под водой платформу, независимо от того, из какой точки периметра бассейна ее выпустили. Иными словами, животное обучается находить цель, ориентируясь в пространстве, не полагаясь на ее локальные признаки (Morris, 1984).

Успешность выполнения тестов на пространственную ориентацию зависит от функции гиппокампа. Оказалось, что выполнение теста Морриса, точнее, прочность сформированной пространственной памяти также положительно коррелирует с размером iipMF.

Иными словами, тесты на способность формировать представления о пространстве и о своем положении в нем животные усваивают тем успешнее, чем больше размер вариабельного поля проекции мшистых волокон гранулярных клеток на базальных дендритах пирамидных нейронов поля САЗ гиппокампа.

В большой серии работ, проведенных X.-П. Липпом, Г. Швегле-ром и их коллегами (Schwegler, Lipp, 1995), исследовали корреляции успешности выполнения "пространственных" и непространственных тестов с размерами не только IipMF, но и других областей гиппокампа. Однако такие фенотипические корреляции были обнаружены только для указанной области проекции мшистых волокон – нейронов зубчатой фасции. Был сделан вывод, что именно она играет важную роль в осуществлении и/или модуляции процессов обучения разных типов.

Существование описанных выше фенотипических корреляций не всегда может свидетельствовать о причинной связи между размером структуры и выраженностью функции. Однако в данном случае ее наличие подтверждается, во-первых, тем, что изменение размера iipMF с помощью тироксина (см.: выше) изменяет и поведение, а во-вторых, наличием не только фенотипической, но и генетической корреляции между этими признаками (Crusio,1995).

Общим выводом из приведенного цикла работ по генетике поведения, существенно расширившего наши знания о роли гиппокампа в формировании навыков разной сложности, является следующий. Генетические системы, ответственные за формирование и работу данного отдела мозга, и функциональные системы, "отвечающие" за обучение, совпадают или имеют общие звенья. В этих работах был детально разработан принципиально новый метод не-инвазивного контроля размера структур мозга. Этот размер можно было "варьировать" не путем частичного разрушения, что всегда влечет за собой много отрицательных последствий, а с помощью генетических методов. Корреляции размеров структуры с особенностями поведения, полученные таким путем, позволяют физиологам делать надежные выводы о физиологических механизмах последнего.