Изменчивость поведения и выявление роли генотипа

Общая задача генетики поведения — это интеграция целостно­го, «организменного» и молекулярно-биологического подходов для создания возможно более полной картины роли генотипа в фор-В мировании мозга, в развитии его отдельных реакций и поведения.

В настоящее время генетические исследования поведения и лежащих в его основе нейрофизиологических процессов проводятся по несколь­ким направлениям. Условно обычно выделяют два основных подхода:

* «от поведения к гену» — это изучение отдельных признаков целостного поведения животного с последующим более деталь­ным анализом феноменологии на уровне отдельных хромосом и генных комплексов или же единичных генов;

•» «от гена к поведению» — это исследование функции гена (как на молекулярном, так и на физиологическом уровне) с после­дующим анализом его влияния на поведение. Современная ген­ная инженерия, стремительно развивающаяся в последние де­сятилетия, существенно продвинула вперед такие методы. Этот подход получил также название «обратной генетики». Методы обратной генетики позволяют прицельно изменять строение гена {gene targeting) или выключать из работы определенные участки генома, т.е. последовательности ДНК, кодирующие те или иные белки. Это могут быть структурные белки, которые определя­ют, например, строение синаптического аппарата нейронов (ви­доизменение или выключение белков-рецепторов нейромеди-аторов), или регуляторные белки, отсутствие которых делает невозможным нормальное функционирование важных для клет­ки процессов (как, например, белок CREB и нарушение фос-форилирования, см. 9.5).

Выбор признаков поведения. Несомненно, что для успеха генети­ческого исследования, например способности животного к обучению, необходимо выбрать такой поведенческий признак, который представ­лял бы собой естественную «единицу» той или иной формы поведения. Как уже упоминалось, в генетических исследованиях поведения наибо­лее часто используют линии лабораторных грызунов — крыс и мышей. Очевидно, что для проведения исследований по генетике поведения мышей и крыс следует быть основательно знакомым с их поведением. Кроме того, важно помнить, что в основе генетического подхода лежит выявление изменчивости (вариативности) признаков.

Суть генетического подхода состоит в оценке размаха изменчиво­сти признака у данного вида, популяции или группы особей и в ана­лизе происхождения этой изменчивости.

В период накопления фактов в генетике поведения внимание ис­следователей привлекали разные признаки, характеризующие пове­дение: предрасположенность к судорогам, общая возбудимость, ло­комоторная активность, ориентировочно-исследовательские реакции, разные аспекты репродуктивного поведения, классические и инстру­ментальные условные реакции, чувствительность к действию фарма­кологических веществ. Опыт, накопленный в первый период развития генетики поведения, можно суммировать следующим образом.

Для исследования роли генотипа в формировании поведения сле­дует выбирать:

• признаки, которые легко поддаются количественному учету (например, четкие видоспецифические движения — чистка шерсти или «стойки» у грызунов);

• признаки, которые легко измерить по степени выраженности (например, уровень локомоторной активности, измеряемый по длине пройденного животным пути за фиксированное время опыта).

Многие признаки поведения сильно зависят от ряда внешних по отношению к нервной системе факторов, например от сезона года и/ или от гормонального фона. Это вызывает дополнительные трудности при проведении генетических исследований.

^G Какую именно генетическую модель необходимо выбрать для j исследования поведения, определяется конкретными целями и g спецификой изучаемого фенотипического признака.

Роль генотипа и среды в формировании поведения. Одним из важ­ных вопросов генетики поведения является разработка теоретической концепции и методических приемов определения относительной роли генотипа и среды в формировании признаков поведения. Этот вопрос неотделим от проблемы формирования поведения в онтогенезе, т.е. проблемы относительной роли «природы» и «воспитания» (nature-nurture).

Накопление информации об особенностях развития поведения животных разных видов, успехи генетики поведения и генетики раз­вития позволили сформулировать ряд общих правил, помогающих определять относительную роль того и другого компонента в форми­ровании конкретного поведенческого акта. Эти правила учитывают особенности поведения данного вида животных, степени жесткости или, наоборот, пластичности основных компонентов его поведения, а также иногда прямую информацию о генетическом контроле его особенностей.

В 1965 г. К. Лоренц достаточно четко сформулировал некоторые общие положения о соотношении врожденных и приобретенных ком­понентов в эволюционных преобразованиях поведения животных. Этому вопросу посвящена актуальная и по сей день его книга «Эволюция и модификация поведения» (Lorenz, 1965).

Лоренц предположил, что совершенствование поведения в эво­люции может идти двумя путями:

» первый из них связан с повышением в репертуаре поведения «удельного веса» специализированных и жестко запрограммиро­ванных реакций типа врожденных завершающих актов (см. 2.11.2). При таком типе организации поведения способность к обуче­нию в определенной степени ограничена, а спектр реакций, которые животное приобретает в результате индивидуального опыта, относительно узок;

* второй путь эволюционного совершенствования поведения — это усиление индивидуальной адаптации за счет расширения диапазона возможностей другой фазы поведенческого акта —

18-5198

поисковой. В этом случае врожденные реакции часто могут ока­заться «замаскированными» различного рода индивидуально приобретенными наслоениями.

По представлениям Лоренца, усиление специализации пове­дения, наличие жестких программ поведения, пусть даже предус­матривающих широкий диапазон реакций, ограничивают возмож­ности отдельных особей в приспособлении к новым условиям. Эво­люция по второму пути создает широкие возможности для EJ индивидуального приспособления к разнообразным ситуациям.

В целом можно сказать, что эволюция поведения беспозвоночных (например, насекомых) шла в основном по пути усложнения и со­вершенствования фиксированных комплексов действий с жесткой внутренней программой, т.е. по первому пути. В то же время эволюция поведения позвоночных шла по пути повышения способности к быс­трым адаптациям — за счет усовершенствования поискового поведе­ния, т.е. за счет расширения возможностей осуществлять поведенческие акты по лабильной индивидуальной программе.

В начале 70-х годов XX в. эти представления развил Э. Майр, изло­жив их в терминах, более близких генетике. Он постулировал суще­ствование двух типов генетических программ — «закрытых» и «от­крытых». На основе молекулярно-генетических данных, накопленных к тому времени, Майр предположил, что онтогенетическая програм­ма последовательной реализации наследственной информации (свя­занной с формированием мозга и поведения) может зависеть от вли­яния внешних условий в разной степени, т.е. она может быть закры­той для их влияний или, наоборот, открытой (подробнее см.: Эрман, Парсонс, 1984).

Как известно, история биологии, и в частности биологии разви­тия, прошла этап бурных дебатов, которые получили название «nature-nurture controversion». Речь шла о приоритете в поведенческих реакциях либо природных задатков организма, либо воспитания («врожденное» и «приобретенное»). В настоящее время этот спор разрешен в рамках достаточно общепризнанной эпигенетической концепции'.

Суть эпигенетической концепции заключается в следующем. Фор­мирование мозга в онтогенезе — нейрогенез — представляет со­бой непрерывный процесс, в ходе которого происходит взаимодей­ствие сигналов, поступающих из внешней среды, и информации, считывающейся с генома.

' В первоначальной форме эта концепция рассматривает роль генотипа и сре-довых влияний в эмбриогенезе, однако в принципе применима и к рассмотрению природы разного типа влияний на формирование признаков поведения взрослого животного.

В схематической форме, однако, нельзя обойтись без условного деления процесса развития на стадии. При этом последовательные ста­дии развития можно представить в виде схем, в которые входит ряд компонентов. Успех каждой стадии развития обеспечивается наличи­ем следующих компонентов: фенотипа Р, продуктов экспрессии оп­ределенных генов С и существованием некоторого набора внешних условий Е, которые могут варьировать в определенных пределах:

Р1 + G1 + Е1 -» Р2 + G2 + Е2 -* РЗ и т.д.,

где Р1— фенотип зиготы, Р2— фенотип следующей стадии. При разви­тии нервной системы эта картина усложняется тем, что в категорию «внешних» условий попадают влияния, которые исходят от других кле­точных элементов нервной системы. Общий анализ показывает, что на нейрон действуют продукты экспрессии генов, которые можно условно разделить на 4 категории в зависимости от особенностей их экспрессии:

«экспрессируются в дифференцирующихся нейронах;

* в нейронах иных групп, нежели данная;

* в глиальных клетках;

* гены, обнаруживающие свое влияние на уровне целого орга­низма (например, гены, кодирующие белки—предшественни­ки гормонов).

Одна из важных причин появления разногласий в определении роли врожденного и приобретенного в поведении заключалась в том, что разные исследователи ставили перед собой разные цели. Целью одних работ было изучение внешних, средовых влияний на поведе­ние, целью других — изучение наследственных задатков или нейро-физиологических механизмов реакций организмов. Очевидно, что раз­ные цели исследований определяли и выбор видов животных и раз­ные формы их поведения, а это, естественно, могло вести к появлению достаточно контрастных результатов. Одна из причин таких контрас­тов — разная норма реакции разных признаков поведения.

Согласно современным представлениям, все признаки организ­ма (в том числе и признаки поведения) генетически детерминирова­ны, однако степень их генетической обусловленности признаков (т.е. жесткость соответствующей генетической программы) варьиру­ет в широких пределах. В одних случаях развитие признака полностью контролируется внутренней программой, и воздействия внешних фак­торов в процессе онтогенеза могут изменить его лишь в очень малой степени. В других случаях программа записана только «в общих чер­тах», и формирование признака подвержено разнообразным влияниям.

Степень изменчивости признака в пределах, задаваемых его гене­тической программой, и представляет собой, как уже говорилось выше, норму реакции.

Как и любые другие, все признаки, характеризующие поведение, на­ходятся под влиянием генотипа и среды.

Каждый признак поведения формируется как результат взаимо­действия этих двух источников изменчивости. В соответствии с это-логической схемой акта поведения (см. 2.11.2), можно сказать, что действия, относящиеся к поисковой фазе поведенческого акта, имеют широкую норму реакции, тогда как реакции типа заверша­ющих актов — узкую.

Так, например, осуществляя поиск пищи, животное может обу­читься доставать ее из ранее недоступных ему мест, используя для этого разнообразные движения. Однако умерщвление добычи оно мо­жет осуществить с помощью достаточно жесткой, видоспецифической последовательности действий (фиксированного комплекса действий).

Очевидно, что для четкого описания зависимости данного пове­дения от внешних влияний и/или от врожденных задатков необходи­мо искусственно выращивать животных в условиях, где внешняя сти­муляция строго «дозируется». Такие эксперименты были названы «де-привационными» (от англ. deprive — лишать). Метод изолированного воспитания (депривационный эксперимент) был предложен с целью выяснить, в какой степени поведение животного может сформиро­ваться в отсутствие привычных для данного вида внешних условий. Суть метода заключается в том, что животных выращивают в изоля­ции вплоть до взрослого состояния, когда можно определить, на­сколько спектр их поведения отличается от нормальных особей этого вида. Степень и формы депривации достаточно разнообразны, на­пример изоляция детеныша от матери после, а иногда и до прекра­щения вскармливания (у млекопитающих) или изоляция от сверст­ников и других особей своего вида (например, выращивание певчих птиц в звукоизолирующих камерах, лишение их слуха и т.п.). В неко­торых депривационных экспериментах животным создают так назы­ваемую обедненную среду обитания: их выращивают в очень простых клетках, лишенных большинства внешних стимулов, обычных для животных данного вида. Типичный пример обедненной среды для содержания лабораторных грызунов — обычные клетки; для «обога­щения» среды исследователи помещают туда лесенки, тоннели, пол­ки, предметы для манипулирования и т.д.

^в Вопрос о роли врожденного и приобретенного в поведении I решается в настоящее время конкретно в каждом случае, приме-в нительно к анализируемой форме поведения и виду животного.