Группа нейробиологов из России и США, среди которых были и сотрудники МФТИ Дмитрий Смагин, Татьяна Мичурина и Григорий Ениколопов, экспериментально подтвердила влияние агрессии на образование новых нервных клеток в мозге. Ученые провели серию опытов с самцами мышей и опубликовали свои результаты в журнале Frontiers in Neuroscience.
Исследователи из Института цитологии и генетики РАН, МФТИ, Лаборатории Колд Спринг Харбор, университета и школы медицины Стони Брук изучили изменения, происходящие в мозге мышей-агрессоров, которые нападали на своих собратьев и при этом побеждали в драках. Такие животные после победы становились еще более агрессивными, а в их гиппокампе – одной из ключевых структур мозга — появлялись новые нейроны; кроме того, при возможности продолжать драки наблюдались определенные изменения в активности нервных клеток. Ученые надеются, что новая информация о нейробиологических основах агрессии поможет не только в понимании этого важного феномена, но и подтолкнет исследования в других областях – вплоть до поиска причин аутизма и схожих с ним расстройств у людей.
Чтобы пояснить, как именно агрессия влияет на рождение новых нейронов, как она изменяет работу мозга и причем же тут аутизм, последовательно рассмотрим несколько аспектов свежеопубликованного исследования.
«Поражен, насколько основные блоки, из которых складывается сложное поведение, сходны у разных организмов и как причудливо они могут сочетаться с другими блоками, создавая огромное разнообразие поведенческих реакций у животных и человека» — поделился своими впечатлениями Григорий Ениколопов, руководитель лаборатории стволовых клеток мозга МФТИ и ведущий автор исследования.
Как? На уровне поведения
Сам эксперимент выглядел следующим образом: пару самцов сажали в клетку, разделенную сеткой на две части. Сетка позволяла видеть, слышать и обонять друг друга, но, естественно, не давала пускать в ход зубы. Каждый день, примерно в послеобеденное время, сетку убирали и начинали наблюдение: как правило, ждать драки долго не приходилось. Через пару-тройку стычек определялся и победитель, которого потом (через три минуты или раньше, если возникало опасение за судьбу проигравшего) снова отделяли сеткой от соседа. Проведя такие встречи три дня подряд, ученые меняли мышей по клеткам, пересаживая случайным образом побежденных к другим соседям (но, что важно, каждый раз побежденные оказывались с другими победителями). В одной группе через три недели такой ротации победителей также отстраняли от стычек, а в другой продолжали сталкивать мышей друг с другом.
Ученые также провели серию тестов, показавших влияние агрессии уже не на мозг, а на поведение. Например, мышей сажали в крестообразный лабиринт, в котором один коридор был закрытым, а второй представлял собой открытую площадку. Чем больше времени мыши предпочитали отсиживаться в темном закрытом пространстве, тем больше их поведение можно было охарактеризовать словами «избегающий риска».
Грызунов сажали и в клетку с прозрачной перегородкой, за которой находился другой самец — чем больше грызун проводил времени у барьера, тем выше был уровень потенциальной агрессии. Такая интерпретация хорошо согласуется с тем, что активные в этом тесте животные как правило и при возможности напасть на соседа охотно этим пользовались (разумеется, провели и такой опыт).
Линия – более строгое понятие, чем «порода». Линией называют всех мышей, полученных близкородственным скрещиванием потомков одной пары с одинаковым генотипом. Линия C57BL является одной из самых распространенных. И, кстати, BL значит black, черный – так что типичная лабораторная мышь вовсе не белая!
Все тесты показали, что опытные самцы, успешно победившие в ряде драк, ведут себя более «нагло» – они чаще подходят к прозрачной загородке и скорее нападают на соперника. Если мышам не давали драться какое-то время до опыта, они становились еще агрессивнее: время перед атакой сокращалось едва ли не втрое, а сами драки продолжались дольше. Но, что особенно интересно, у животных одновременно росла тревожность – самец, благополучно выдравший клочья шерсти из спины более слабого грызуна, скорее избегал открытого пространства и предпочитал по возможности отсиживаться в темноте!
Мыши разных линий могут даже отличаться своим поведением в драке. Так, линия C57BL обычно в процессе выяснения отношений выдирает противнику шерсть на спине. До смертоубийства доходит нечасто, но такие случаи тоже бывают.
Описанная схема экспериментов была выбрана не случайно. Наталия Кудрявцева, одна из авторов исследования (заведующая сектором нейрогенетики социального поведения в ИЦиГ) является одним из признанных мировых лидеров в изучении биологических основ агрессии и поведенческая модель, схема изучения агрессии на мышах, отрабатывалась буквально на протяжении десятилетий.
Как? На клеточном уровне
Изучение агрессии в контексте работы мозга на уровне отдельных клеток стало возможным благодаря достигнутому в последние десятилетия прогрессу в области нейронаук (мы будем использовать эту кальку с английского neuroscience). На сегодня считаются надежно доказанными три положения:
- наше поведение, равно как и поведение животных, влияет на работу мозга и может приводить к долговременным изменениям;
- вопреки ранее принятой точке зрения, в зрелом мозге могут появляться новые нейроны и этот процесс играет ключевую роль в обучении;
- для запуска долговременных изменений на клеточном уровне клетки должны активировать одни гены и подавить активность других.
Несмотря на то, что ДНК во всех клетках одинакова, разные ее участки (разные гены) имеют разный статус. Если ДНК химически модифицирована или же модифицированы те белки, которые образуют вместе с ДНК хромосому – считать информацию с гена и синтезировать кодируемые этим геном молекулы становится невозможно. Таким образом клетка отключает производство ненужных ей белков и, к примеру, нейрон не синтезирует те сокращаемые волокна, которые требуются миоцитам, клеткам мышечной ткани. Управляя активностью генов, нейроны также могут стимулировать свою собственную перестройку, а активизация стволовых клеток в мозге способна и привести к появлению новых нервных клеток – например, для формирования тех нейронных сетей, которые играют ключевую роль в памяти.
Исследования в области нейробиологии памяти, которые проводились с середины прошлого века, показали что обучение или даже просто столкновение с чем-то новым запускает ряд молекулярных изменений в нейронах – и определенные гены, названные учеными «ранними генами», активизируются для обеспечения долговременных перестроек в мозге. Если взять срез мозга животного вскоре после эксперимента по обучению, и обработать его специальными маркерами кодируемого c-fos белка , то можно увидеть спровоцированные экспериментом изменения. Именно так поступили авторы новой работы, чтобы проследить за влиянием агрессии на клеточном уровне – отслеживание уровня c-fos является одним из стандартных способов поиска изменений в нервных клетках «по горячим следам».
Нейронауки – изучение мозга часто требует знаний в таких неожиданных областях, как оптика, теория игр, экономика или социология. Практическими навыками нейроученых часто выступает умение паять, программировать, оперировать крыс и вести статистические расчеты. Все это позволяет выделять междисциплинарную область отдельно: англичане и американцы говорят neuroscience.
Где? Гиппокамп и миндалина
Одно лишь наблюдение за отдельными нейронами или даже их группами еще не дает полной картины. Нужно учитывать, где эти клетки расположены. Активность нейронов в разных отделах мозга может заметно отличаться, поскольку эти отделы выполняют разные функции.
В данном исследовании ученые рассматривали гиппокамп и миндалину. В популярных статьях часто пишут, что миндалина связана с эмоциями, а гиппокамп с памятью и это в общих чертах верно – но требуется пояснить, что при этом память вовсе не локализована в гиппокампе, а для переживания эмоций даже мыши недостаточно одной миндалины.
Очень многие структуры мозга на самом деле не имеют жесткой специализации, подобно тому, как внутри компьютера процессор или микросхемы оперативной памяти используются для самых разных задач: нет, к примеру, отдельных компонентов только для игр или только для конторских программ. Гиппокамп используется и при формировании долговременной памяти, и при навигации в лабиринтах – а миндалина обеспечивает и страх, и агрессию, и тревожность. Ряд исследований с участием людей даже показал ее связь с алкоголизмом (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18640918), а также политическими взглядами (http://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822%2811%2900289-2 ). Столь широкий список легко объяснить, если указать на то, что сама память бывает разной: ментальная «карта» местности, умение балансировать при езде на велосипеде и травматический опыт хранятся разными способами.
Миндалина вовлечена в память о неприятных стимулах – именно благодаря ей мышь замирает, попав в ту клетку, где прошлый раз пол оказался под напряжением. Гиппокамп тоже связан с памятью, но, как показал в 1950-е годы случай с пережившим неудачную операцию больным H.M. – он хранит сведения о вполне осознаваемых событиях. Больной H.M., которому удалили гиппокамп из-за тяжелых приступов эпилепсии, перестал помнить даже то, что с ним было несколько минут назад! Но вот умение решать определенные головоломки у него формировалось, хотя каждый раз он брался за них с убежденностью, что никогда не имел с ними дела.
Клетка с полом под напряжением – один из стандартных приемов формирования памяти. Ответственно заявляем: представитель пресс-службы МФТИ испытал подобную установку на себе и речь идет не о серьезном ударе током, а о вполне переносимом, хоть и неприятном ощущении. Ближайший аналог – как если бы пол внезапно стал похож на резиновый коврик для массажа.
Сопоставление активности миндалины и гиппокампа позволило ученым проследить за влиянием опыта агрессивности сразу на две ключевые структуры. Прошлые данные указывали на то, что у агрессивных и социально активных грызунов в гиппокампе рождается больше новых нейронов, причем у специально выведенных линий мышей с повышенной «злобностью» уровень нейрогенеза тоже выше, чем у тех, которых отбирали по принципу пониженной агрессии.
В новом опыте ученые обнаружили, что белка c-fos становится при повторных драках больше в гиппокампе, но меньше в миндалине. А если мышь не имеет возможности вступать в новые стычки, то этих изменений в работе ранних генов не происходит, хотя новые нейроны все равно появляются. Для интерпретации сделанных наблюдений исследователи также провели ряд дополнительных тестов и экспериментов.
Нейрогенез – процесс появления новых нейронов. Примечательно, что по сей день его удалось увидеть не во всех отделах мозга, а вот именно в зубчатой извилине гиппокампа нейрогенез надежно доказан.
В относительном выражении эффект варьировался от десятков процентов до двухкратного прироста числа новых нейронов и для всех четырех использованных в опытах линий мышей эффект оказался статистически значим. Последнее означает, что вряд ли речь идет о случайном совпадении, получить такой результат исключительно за счет индивидуальных отличий животных можно лишь с довольно маленькой вероятностью (на уровне не больше нескольких процентов).
Что это значит?
Новая публикация подтвердила имевшуюся ранее догадку – привыкшие к дракам мыши не просто ведут себя иначе, но их мозг начинает работать иным образом. В нем увеличивается число новых клеток гиппокампа, а при возможности продолжать драки меняется и активность уже существующих клеток. Новые клетки, по-видимому, являются одним из ключевых механизмов роста агрессии и, возможно, тревожности – хотя в последнем ученые пока не уверены: можно предположить и то, что завоеванную репутацию агрессора и доминанта приходится поддерживать новыми драками, а это занятие не из тех, которые способствуют снижению тревожности
Свежие результаты в сопоставлении с предыдущими данными даже отчасти сбивают с толку. Ранее было показано, что обычно повышенная тревожность как раз сопровождается снижением нейрогенеза, но в данном случае все наоборот – самцы, в гиппокампе которых было больше новых нейронов, скорее избегали выходить на освещенные участки. То ли победа в драке давала эффект, противоположный эффекту тревоги , то ли исследователи столкнулись с каким-то новым феноменом: установить правду могут помочь только дополнительные эксперименты.
А вот вывод об активности клеток миндалины интересен уже не только в контексте фундаментальных основ поведения у грызунов. Ученые отмечают, что миндалина и у людей вовлечена в целый ряд патологических процессов, включая формирование аутизма. Повышенная тревожность, стереотипно повторяющееся поведение, нарушение способности к коммуникации с другими – эти симптомы наблюдались у мышей из описанных выше опытов и отчасти схожи с теми, которые выделяют в картине аутизма. Возможно, это та связь, которая со временем позволит продвинутся не только ученым, но и медикам.
Источник: Официальный сайт МФТИ