Генетичні дослідження елементарної розумової діяльності та інших когнітивних здібностей тварин.

Зоріна Зоя Олександрівна, Полєтаєва Інга Ігорівна

Індивідуальні варіації в прояві когнітивних здібностей тварин мають в якості однієї з причин генетичні відмінності. Опис експериментів, що виявили відмінності у здатності до екстраполяції у диких і доместіцірованних форм двох видів тварин - лисиць та щурів. Виклад методології генетики поведінки, а також результатів основних модельних експериментів в генетичних дослідженнях здібності до навчання.

1. Індивідуальні відмінності в прояві когнітивних здібностей тварин.

Оцінюючи когнітивні здібності тварин різних видів (у порівнянні з людиною), вчені завжди стикалися з тією обставиною, що їх рівень неоднаковий навіть у представників одного виду. Це виражалося у межиндивидуальних мінливості при вирішенні лабораторних тестів: одні особи виявлялися «розумними», інші - не дуже, а третій вели себе в тесті випадковим чином, не вловлюючи логічної структури завдання. Так, наприклад, при дослідженні здатності Вранова птахів до оперування емпіричної розмірністю фігур (ЕРФ) виявилося, що тільки половина птахів, що брали участь у досвіді, змогла успішно вирішити це тест. Результати Аналогічні були отримані при дослідженні здатності до екстраполяції у тварин різних видів. У кожній групі одного виду (кішки, собаки, лисиці, кролики, кури) траплялися особи, які вирішували завдання безпомилково, а інші даний тест вирішити не могли.

Очевидно, що при дослідженні елементарної розумової діяльності і когнітивних здібностей в цілому успішність виконання тесту може залежати від ступеня страху, який відчуває тварина в обстановці досвіду, від його здатності подолати страх і стан стресу, від особливостей онтогенезу і, нарешті, від генотипу особи.

Дослідженням ролі генетичної мінливості у формуванні поведінки займається генетика поведінки - науковий напрямок, що розвивається в області перетину інтересів фізіології поведінки, нейроморфологіі, генетики, а останнім часом і молекулярної біології.

Для розуміння генетичних основ когнітивних здібностей і здібності до навчання у тварин необхідно перш за все розглянути, як виявляється і в чому виражається мінливість (варіативність) поведінки.

Як відомо, практично будь-які ознаки організму можуть варіювати, виявляючи фенотипическую мінливість в межах норми реакції, розмах якої визначено генотипом.

Генетична мінливість особин популяції виявляється по величезній кількості ознак, до числа яких входять:

альтернативні ознаки (наявність - відсутність ознаки);

кількісні ознаки.

Відзначимо, що ознака - це певна характеристика організму, що вибирається в якості «одиниці» при генетичних дослідженнях. Величина кількісних ознак визначається великим числом пар алелей, а внесок кожної з них визначити досить важко.

Мінливість ознак поведінки, пов'язана з варіюванням ал-лельного складу генотипу у особин даної популяції або групи, - основний предмет генетики поведінки (Ерман, Парсонс, 1984).

Роль окремих генів у контролі поведінки аналізується за допомогою класичного генетичного аналізу - методу, який використовується в традиційної генетики й у трансгенних мишей, і мишей-нокаутів - тварин, генотип яких змінений за допомогою методів генної інженерії.

Крім мінливості в межах характерною для даного генотипу норми реакції та генетичної мінливості, пов'язаної з гетерогенність алельних складу даної популяції, для ознак поведінки характерна ще одна, специфічна форма мінливості. Її не можна прямо віднести ні до першого, ні до другої категорії. Мова йде про мінливість ознак поведінки тварин, пов'язаної з впливом індивідуального досвіду, тобто з різними формами сенситизацию, звикання, навчання, формування уявлень, наслідування і т.д., іншими словами, з тим, що визначається специфікою мозку, що забезпечує всі форми когнітивної діяльності. У зв'язку з цим генетичні елементи, відповідальні за видозміна поведінки за рахунок індивідуального досвіду, мабуть, повинні бути універсальними і відповідно мати принципову подібність у тварин різного рівня організації. Експерименти, проведені в кінці 80-х і в 90-х роках XX ст. на таких різних тварин, як пластінчатожаберних молюск (аплізія), комаха (дрозофіла) і ссавець (хатня миша), показали спільність механізмів зміни синоптичної пластичності при навчанні. Нейронні, синаптичних, а також молекулярно-генетичні механізми когнітивної діяльності тварин вивчені мало, але в останні роки вже з'явився ряд робіт в цьому напрямку (огляди Buhot, 1997; Lipp, Wolfer, 1998). У той же час феноменологічні існування генетичної мінливості когнітивних процесів у тварин проілюстровано досить докладно, і це буде показано в подальшому викладі.

2. Роль генотипу у формуванні здатності до розумової діяльності.

Під час тестування елементарної розумової діяльності були отримані численні свідчення варіативності (мінливості) рівня виконання цього тесту серед тварин одного виду. Л. В. Крушинський і його співробітники в 60-70-і роки XX століття проаналізували здатність тварин багатьох видів до екстраполяції напрямку руху стимулу, тобто їх вміння оперувати закономірностями переміщення предметів (див. гл. 4).

Порівняльні дослідження поведінки тварин різних видів дозволили зробити висновок, що рівень розумової діяльності тим вище, чим складніше мозок тварини (див. гл. 8). Однак для вивчення фізіолого-генетичних основ цього феномена було необхідно досліджувати тварин одного виду, і найбільш відповідними об'єктами такої роботи здавалися лабораторні гризуни, добре вивчені як у фізіологічних, так і в генетичних аспектах. Але саме у гризунів здатність до екстраполяції виявилася розвинена слабо, зокрема у лабораторних щурів і мишей вона виявлялася далеко не завжди.

Експериментальні дані про існування генетичних відмінностей в здатності тварин до вирішення елементарних логічних завдань були отримані в лабораторії Л. В. Крушинський при порівнянні здатності до екстраполяції у диких і доместіцірованних (одомашнених) форм лисиці і сіркою щури. Дикі «червоні» лисиці відрізнялися високим рівнем правильних рішень тесту на екстраполяції. У той же час одомашнені чорно-сріблясті лисиці, в тому числі і мутантні за кольором шерсті, розводять у неволі протягом багатьох десятків поколінь, виконували цей тест з достовірно більш низькими показниками, ніж їх дикі родичі.

Малюнок 1А показує успішність вирішення даного тесту лисицями обох груп. Частка правильних рішень (на малюнку - висота стовпчиків) була вище у диких (1) лисиць, у порівнянні з одомашненими (2-5). Дуже високий рівень правильних рішень тесту на екстраполяцію (навіть при його першій пред'явленні) спостерігали у приручених диких щурів-Пасюк, хоча ці показники швидко знижувалися вже протягом першого дослідного дня (тобто при 6-8 пред'явлення тесту). Лабораторні ж пацюки (лінії Крушинський-Молодкін (KM), Wag, August і їх гібриди між собою) виявилися взагалі нездатними до вирішення задачі на екстраполяцію. Частка правильних рішень у них не перевищувала 50%-го рівня, тобто вони обирали напрям обходу ширми чисто випадково, не керуючись інформацією про напрям переміщення корму. У той же час гібриди першими покоління від схрещування диких щурів з лабораторними виявили високий рівень вирішення цього завдання, достовірно перевищує випадковий рівень (Крушинський, 1986). Ці співвідношення можна бачити на рис. 1 Б, де 1 і 2 - показники диких щурів та їх гібридів, 3-6 - відповідно пацюки ліній KM, WAG, Aug і гібридів KM x Aug.

І лабораторні пацюки, і чорно-сріблясті лисиці, хоча і ведуть своє походження від відповідних диких форм, протягом багатьох поколінь розведення в неволі не відчували дії природного відбору. Іншими словами, у популяціях таких тварин не було «виживання найбільш пристосованих», і відповідно частка тварин, здатних до швидких адекватних реакцій на мінливі зовнішні умови, виявилася зменшеною. Проявом цього можна вважати зниження частки правильних рішень тесту на елементарну розумова діяльність.

Л. В. Крушинський (1986) припускав, що у разі припинення дії природного відбору при розмноженні тварин у неволі руйнуються складні полігенні системи (або «коадаптірованние комплекси»), які в природних умовах забезпечують пристосування тварин (через механізми поведінки) до змінних і часто несприятливих зовнішніх умов.

Серед лабораторних мишей також були виявлені генетичні групи, у яких частка правильних рішень завдання достовірно перевищувала випадкову. Це були миші з робертсоновской транслокації (злиттям) хромосом Rb (8,) 7) llem. На початку цього дослідження здатність до екстраполяції було проаналізовано у значної кількості мишей з різними порушеннями каріотипу, зокрема з робертсоновскімі транслокації різних хромосом. У тварин з більшістю таких мутацій частка правильних рішень тесту також не відрізнялася від 50%-го випадкового рівня. У той же час миші, у яких було злиття хромосом 8 та 17 (транслокації Rb (8,17) llem і Rb (8,17) 6Sic; воно виникло цілком незалежно і всього знайдено в різних лабораторіях), виявилися здатними до екстраполяції. Рис. 1В показує, що миші зі злиттям хромосом 8 і 17 (3-5) достовірно вирішували завдання на екстраполяцію, тоді як миші з нормальним каріотипу (1,2) і зі злиттям інших хромосом (6) завдання не вирішували.

Миші з цієї хромосомної мутацією, протягом більше 20 років розводить в нашій лабораторії, стійко показували відмінний від випадкового рівень вирішення завдання на екстраполяції. Пізніше ми досліджували цей питання з використанням унікальної генетичної моделі - мишей 4 інбредних ліній, які попарно розрізнялися або за генотипом (СВА і C57BL/6J), або за наявності або відсутності цієї транслокації (Полєтаєва, 1998).

Рис. 1. Успішність вирішення тесту на екстраполяцію тваринами різних генетичних груп (пояснення в тексті).

А - рішення тесту лисицями; Б - пацюками; В - мишами. Висота стовпця відповідає частці правильних рішень задачі при першій (ближній ряд) і багаторазових (дальній ряд) пред'явлення завдання.

Експерименти з тваринами цих ліній показали, що посилення здатності до вирішення тесту на екстраполяцію та інші особливості поведінки, а також особливості обміну катехол-Мінов у цих мишей пов'язані саме з наявністю в їх каріотипі даної робертсоновской транслокації.

Можливо, що причиною, що лежить в основі цих змін у функції ЦНС при даній хромосомної перебудови, можуть бути зміни в просторовому розташуванні генетичного матеріалу в інтерфазних ядрі, що виникли як наслідок злиття хромосом.

Дані щодо відмінностей здатності до екстраполяції у тварин, що відрізняються один від одного генетично, природно, не стоять осібно, а є частиною величезної «бази даних», створеної до сьогоднішнього дню вченими, що працюють в галузі генетики поведінки.

Генетичні дослідження зачіпають практично всі форми поведінки, у тому числі і здатність до навчання, і здатність до формування просторових предстаапеній. Для того щоб коротенько познайомитися з цим матеріалом, необхідно спочатку дати короткий нарис основних методологічних особливостей даного напрямку. Далі наводяться приклади використання генетичних методів для вивчення когнітивних здібностей тварин, а також короткий опис досліджень генетичних закономірностей психічних здібностей людини.

3. Методи та об'єкти генетики поведінки.

Генетичні підходи до дослідження поведінки дозволяють з'ясувати, з чим саме пов'язана мінливість, яка нас цікавить ознаки, тобто якою мірою вона пов'язана з мінливістю генотипів даної групи тварин, а в який - із зовнішніми по відношенню до генотипу подіями, впливають на центральну нервову систему, а отже, і на поведінку. У таких дослідженнях важливу роль відіграє використання так званих генетичних моделей - груп тварин, що складаються з генетично «охарактеризованих», нерідко ідентичних (або майже ідентичних) за генотипом особин з певними фізіологічними або біохімічними особливостями. Використовують, наприклад, лінійних тварин -- інбредні і селектованих лінії. Тим інбредних лініями (мишей чи щурів) виявляються відмінності з тими чи іншими ознаками поведінки. Виявлення таких міжлінійних відмінностей - зазвичай перший етап дослідження. Наступним кроком у класичних дослідженнях з генетики поведінки буває схрещування тварин з ліній, які виявили контрастні значення ознаки, з отриманням гібридів та аналізом розщеплення ознак у другому і наступному поколіннях. Поряд з цим у генетиці поведінки використовуються селектованих лінії, сформовані шляхом штучного відбору на високі і низькі значення якого-небудь ознаки поведінки (у таких випадках для схрещування в послідовних поколіннях відбираються тварини відповідно з високими і низькими значеннями цікавить дослідника ознаки). Після виведення таких ліній нерідко проводиться їх схрещування і аналіз прояву ознак у потомства.

Дані такого класичного генетичного аналізу уможливлюють висновок і про кількість генів, які визначають основний внесок в мінливість досліджуваного ознаки поведінки. Тестування поведінки гібридів першого покоління дає інформацію про домінантному, проміжному або рецесивним спадкуванні цікавить ознаки. Якщо дана ознака визначається одним, двома або трьома генами, то це можна встановити по картині його розподілу у гібридів другого покоління і нащадків зворотного схрещування. Якщо ж у визначенні ознаки бере участь більше число генів, то необхідно застосовувати методи генетики кількісних ознак. Сучасний етап розвитку науки збагатив генетику поведінки новими методами. До їх числа відносяться:

метод рекомбінантних інбредних ліній (див.: Nesbitt, 1992);

метод QTL-quantitative trait loci (Le Roy, 1999);

створення і дослідження мозаїчних і химерних тварин (Мак Ларен, 1979);

створення трансгенних організмів і тварин-нокаутів (див.: Jones, Mormede, 1999).

нейрогенетики і генетика поведінки сформувалися в великою мірою завдяки роботам на дрозофілі (Drosophila melanogester). Це відноситься і до генетичному дослідження процесу розвитку нервової системи, і до виявлення специфічних для нервової системи генів і генних комплексів, що виявляються схожими і у дрозофіли, і у ссавців.

Миші (Mus musculus) також надзвичайно важливий експериментальний об'єкт нейрогенетики і генетики поведінки. На мишах різних ліній, як інбредних, так і селектованих, досліджені генетичні варіації в поведінці та кореляція іноді досить складних ознак поведінки з мінливістю будови деяких відділів мозку. Миші широко використовуються також для вивчення нейро-біологічних основ процесу навчання, причому все більшу роль починають відігравати дослідження поведінки і здатності до навчання у мишей, у яких геноінженерний методами певні гени або вимкнені (миші-нокаути), або видозмінені (штучні мутанти). Вивчення таких тварин методами генетики поведінки дає також можливість моделювати цілий ряд неврологічних і психічних захворювань людини (епілепсія, алкоголізм, депресивні стани, хвороба Алидгеймера и др. - Driscoll, 1992).

Щура (Rattus norvegicus) також досить часто використовуються як об'єкт генетики поведінки. Мозок пацюки більший і зручніший для хірургічних маніпуляцій та електрофізіологічних досліджень. У той же час розведення щурів в кількостях, необхідних для генетичних досліджень, коштує дуже дорого. Внаслідок цього, а також у зв'язку зі значно більшою вивченістю геному миші генетичні дослідження поведінки щурів не дуже численні. Проте саме на них були проведені багато класичні роботи (см.5).

4. Мінливість поведінки та виявлення ролі генотипу.

Традиційне питання, що стоїть перед дослідниками в галузі генетики поведінки, - це з'ясування ролі генетичних факторів у визначенні особливостей поведінки.

Завдання генетики поведінки:

відносна роль генетичних і средовых факторів, а також їхньої взаємодії при формуванні поведінки;

механізми дії генів, що визначають формування ЦНС і експресуються в мозку;

механізми реалізації дії мутантних генів, зачіпають функцію центральної нервової системи, які можуть служити моделями захворювань нервової системи людини;

генетико-популяційні механізми формування поведінки та її змін у процесі мікроеволюції.

Друга і третя проблеми нерідко виділяються в напрямок, який одержав назву нейрогенетики.

Загальна завдання генетики поведінки - це інтеграція цілісного, «організменного» і молекулярно-біологічного підходів для створення якомога повнішої картини ролі генотипу у формуванні мозку, у розвитку його окремих реакцій і поведінки.

В даний час генетичні дослідження поведінки і що лежать в його основі нейрофізіологічних процесів проводяться за декількома напрямками. Умовно зазвичай виділяють два основні підходи: