Человеческое у беспозвоночных

КАК ПРОСТЫЕ ОБЪЕКТЫ ПОМОГАЮТ РЕШАТЬ СЛОЖНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Первый вопрос, который возникает, когда мы обнаруживаем некоторое сходство в поведении столь далеких видов, — а что за этим сходством стоит? На самом ли деле у похожих поведенческих моделей есть какая-то общая основа или сходство совершенно случайно? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, каждый случай следует разбирать в отдельности.

 

Известны примеры, редкие, но совершенно замечательные, когда похожее поведение существ, очень далеких друг от друга в эволюционном отношении, действительно регулируются одной и той же химией мозга. Например, собственное обезболивание организма, которое может происходить при стрессе или при половом возбуждении осуществляется опиоидами, своего рода внутренними обезболивающими наркотиками нашего организма.

 

Этот механизм сходен и у людей, и у мышей, и у моллюсков, и даже у одноклеточных. И у моллюсков, и у одноклеточных есть воспринимающие системы к этим веществам, за общей поведенческой функцией, стоит еще и общая химия. Это значит, что когда-то немыслимо давно молекула приобрела определенное значение для организма и не утратила его на протяжении всей колоссальной эволюции.

Очень полезно понимать, что круг проблем, с которыми сталкиваются все живые организмы, независимо от сложности организации, на самом деле не такой уж маленький. У нас, живых существ, довольно много общих проблем, и часто абсолютно самостоятельно мы находим решение, которое может оказаться сходным, универсальным. Даже когда мы используем совершенно разные механизмы, кто-то простые, а кто-то сложные, решение может выглядеть сходным.

 

Один из ярких примеров — поисковые стратегии. Последнее время на эту тему вышла целая серия замечательных работ разных авторов. Оказывается, на кого бы мы ни посмотрели — на человека, на одноклеточное, мышь, улитку, у них у всех есть некий общий паттерн поискового поведения. Если нужно что-то найти, то животное повертится сначала на одном месте, и если ничего не найдет, то делает большой бросок в какую-то сторону и начинает вертеться там. Если и там ничего нет — снова бросок. Эта стратегия полностью универсальна.

 

 

Относительно недавно математики стали рассматривать эту проблему и пришли к выводу, что описанная схема — одна из энергетически выгодных стратегий поискового поведения. Если мы будем разбирать механизмы, то у инфузории и у человека они будут совершенно разными, а решение похожим, потому что некоторая оптимизация происходит в процессе эволюции и у них, и у нас, и мы часто приходим к общему решению.

 

В октябре 2017 г. знаменитый журнал Science выпустил обзорную статью с заманчивым заголовком: «Новый гардероб императора» (под императором понимается нейронаука, наука о мозге). Статья посвящена тому, какую колоссальную роль в нейробиологии сыграли так называемые экзотические объекты, в том числе беспозвоночные, и тому, что необходимо возвращать разнообразие исследуемых объектов в нейробиологию. Дело в том, что последние десятилетия практиковалась следующая политика: навалиться всем миром на какойнибудь один организм и все про него узнать. Исследовать, как у него все устроено, как работает его нервная система, гены, пищеварение и т. д.

 

Предполагалось, что такой подход может обеспечить быстрый прогресс, мы быстро поймем, как все устроено. Понятно, что идеальным объектом был бы человек, но на человеке сделать абсолютно все невозможно из этических соображений. Поэтому часто используется мышь, на которой исследователи могут делать все, что хотят. Еще одной любимой исследователями моделью остается дрозофила, на которой очень удобно работать с генами, и как наиболее простая модель — нематода, червь, у которого всего 1 000 клеток, из них 300 нейронов.

 

Ученым предлагалось работать на этих четырех объектах. На них в основном и выдавали гранты. А по так называемым экзотическим объектам было труднее получить финансирование и опубликоваться в хорошем журнале. Сейчас политика меняется. Сразу несколько ведущих научных журналов выступили со статьями, которые пересматривают отношение к вопросу, на каких объектах следует работать. Они говорят о необходимости вернуться к большему разнообразию исследуемых объектов.

 

ЖИВОТНЫЕ — НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ И ПРЕТЕНДЕНТЫ НА НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ

 

Давайте вспомним организмы, на которых были сделаны фундаментальные открытия в области нейробиологии. Среди них мы увидим много таких, которые не попадают в число модельных. Почетное место занимает кальмар, на гигантском аксоне (отростке нейрона) которого были описаны механизмы генерации электрических потенциалов в нейронах и передачи их по аксону (Нобелевская премия (НП) 1963).

 

У лягушки большие синапсы — участки, где нейроны общаются с помощью химии. Механизмы синаптической передачи были впервые в деталях описаны на лягушке (НП 1970). У мечехвоста замечательные глаза, и прославился он не только тем, что на нем были заложены основы изучения сетчатки, но и тем, что на нем был открыто такое важное явление, как латеральное торможение, которое стало для всей сенсорной физиологии принципиальным и важным (НП 1967).

 

 

Аплизия — заднежаберный моллюск. Замечателен он тем, что нейронов у него немного, и они огромные. Их можно видеть практически глазом, в них легко войти электродом, регистрировать во время поведения, можно высаживать в культуру и изучать уже отдельные нейроны. Клеточные и молекулярные механизмы обучения были открыты на аплизии (НП 2000).

 

Дрозофила — один из модельных объектов. В 2017 г. она тоже получила Нобелевскую премию за описания молекулярных механизмов суточных ритмов. Медуза знаменита тем, что она подарила не только нейробиологам, но вообще абсолютно всем биологам зеленый флюоресцентный белок, без которого сейчас не обходятся практически никакие генно-инженерные работы. Встраивать какой-то ген можно, только если у нас есть некоторый контроль, светящаяся субстанция, которая показывает, встроилась конструкция или нет.

 

Это уже действующие лауреаты Нобелевской премии. А есть еще замечательные организмы, которые тоже заслуживают больших наград. Нематода С.elegance — модельный объект. На нем был построен первый коннектом — описание всех синаптических связей между всеми нейронами в нервной системе. Существуют уже программы, которые позволяют работать с этими нейронами и узнать, какой с каким связан. Сейчас брошены колоссальные средства на то, чтобы построить коннектом человека. А С. еlegance уже нам рассказал, чего нам от коннектома можно ожидать, а чего нам от коннектома ожидать не следует.

Например, нужно учитывать, что прямые связи между нейронами не исчерпываются синаптическими. Бывает, коннектом нам говорит, что два нейрона между собой напрямую не связаны, а в реальности мы видим, что связаны, потому что нейрон выделяет трансмиттер просто в межклеточное пространство и прекрасно действует на соседа. Эта связь в коннектоме никак не учитывается.

 

Еще кое-что важное о коннектоме нам рассказал рак, у которого есть замечательный ганглий, управляющий пищевой моторикой. В этом ганглии не так много нейронов, но зато совершенно потрясающая модуляция, та самая «химия мозга». Оказывается, если мы меняем химический коктейль, то из одной и той же нейронной сети могут получаться совершенно разные подсети. Эти подсети функциональны, каждая из них будет генерировать свою форму поведения. Формы, связанные с одной и той же периферией, будут при этом совершенно разными. Эта схема работает и у млекопитающих, в частности у человека. Сейчас очевидно, что коннектом нужно дополнять тем, что можно назвать «модулятомом», изучать влияние нейротрансмиттеров и нейромодуляторов на изменение свойств нейронов и перестройку нейронных ансамблей.

 

Бабочка «бражник» прославилась тем, что с ее помощью были детально исследованы механизмы кодировки запахов. Стоит организму уловить всего одну молекулу, как этот сигнал усиливается и передает информацию о том, что это за вещество. Ни на одном другом животном этот механизм не был описан столь детально, как на бражниках. Еще бражник знаменит своей эхолокацией. Для науки очень удачно сложилось, что хищник, который охотится за бражником, — летучая мышь тоже использует эхолокацию. На этих моделях совершенно изумительно изучать, как идет параллельная эволюция, когда хищник пытается каким-то образом изменить свою чувствительность, настроиться на бражника, а бражник, в свою очередь, учится постепенно перестраивать свои нервные сети, эволюционировать так, чтобы оптимально избегать летучую мышь.

 

 

К слову, у человека эхолокация тоже есть, хоть и не столь развитая, как у бражника. Но когда человек не может использовать другие органы чувств, он опирается на эхолокацию. В последнее время появились научные работы, посвященные возможностям использования эхолокации для облегчения слепым людям ориентировки в пространстве.

 

На саранче был изучен механизм превращения одиночной особи в стайную. Это удивительно, как в определенный момент животное, которое предпочитает держаться подальше от других особей своего вида, жить независимо и одиноко, словно бы сходит с ума и все время стремится быть вместе со своими сородичами.

 

Изменение хорошо видно на таком эксперименте. Насекомое помещают в прозрачный бокс, а за одной из стенок — множество сородичей. Если экспериментальная особь находится в своей одиночной фазе, она старается находиться подальше от толпы, забиться в самый дальний угол. В стайной же фазе она все время держится как можно ближе к себе подобным, у самой стенки. При этом в мозге происходят очень серьезные перестройки, меняется его химия, а следом и морфология. Эти изменения могут быть вызваны стрессом, например недостатком еды. На первый взгляд, модель кажется очень экзотической, но в действительности она не столь уж уникальна. Просто у саранчи такие изменения выражены наиболее ярко. Но внешние стрессовые условия практически у всех видов животных ослабляют внутривидовые силы отталкивания и усиливают силы притяжения. Понижается внутривидовая агрессия. У саранчи все начинается с повышения уровня серотонина, затем включаются и другие механизмы.

Моллюск «большой прудовик» ценен для нас тем, что имеет огромные нейроны, которые, к тому же, можно изолировать прямо живыми, посадить на электрод и потихонечку вытащить из нервной системы. На какие же вопросы это позволяет отвечать? Во-первых, когда мы наблюдаем какое-то явление, нам часто бывает трудно определить, какова его природа. Что это — взаимодействие между нейронами? Или уже сам нейрон изменил свои свойства, допустим, что-то запомнил? На прудовике это очень удобно проверять.

 

Вы можете просто вытянуть нейрон, контролируя его активность, и увидите, что явление, которое вы наблюдали, сохранилось. Теперь вы точно знаете, что ни сетевые, ни химические взаимодействия здесь ни при чем, что это уже сама клетка перестроилась, и именно нейроны отвечают за те явления, которые вас интересуют. Во-вторых, можно посмотреть, какие эффекты обеспечиваются синаптической передачей в системе, а какие несинаптической секрецией трансмиттеров. Разнообразие организмов таково, что для каждой задачи удобно найти свой собственный объект.

 

Продолжение следует

 

 

Статья была опубликована в майском номере журнала "Наука и техника" за  2018 год