Дятел стучит по коре дерева, чтобы найти пищу, осьминоги выпускают чернила перед опасностью, чтобы замутить воду и незаметно скрыться, а амебы могут менять стратегии захвата пищи, реагировать на свет и колебания воды. Каждое живое существо взаимодействует с окружающей средой, проявляет поведенческие реакции. Но что перед этим происходит в мозге, что такое поведение и как оно формируется? Мы поговорили об этом с научным сотрудником лаборатории нейрогеномики поведения ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» кандидатом биологических наук Антоном Сергеевичем Цыбко.
Что такое поведение?
«Николас Тинберген, нидерландский этолог и орнитолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине, сказал, что поведение — это движение животных во всем разнообразии. Причем это адаптивная реакция, мы не просто движемся, у нас есть цели, потребности: искать пищу, защищаться, на всё это нужно гибко реагировать. Даже у самых элементарных организмов есть поведение, например инфузория-туфелька движется по направлению к концентрации питательных веществ, это называется хемотаксис. У человека происходят похожие процессы, но на более высоком уровне», — отметил ученый.
Поведение определяют генетические особенности организма и эпигенетические изменения, влияние среды обитания. По словам ученого, вклад генов более значим, однако одни и те же гены могут по-разному себя проявлять в зависимости от среды. Так, в 1990-е годы исследователи искали гены, которые могли бы объяснить сложное поведение. Однако быстро стало понятно, что рассматривать их отдельно от среды бессмысленно.
«Возьмем пример Данидинского исследования, начатого в 1972 году. Ученые изучали семью, в которой из поколения в поколение передавалось антисоциальное поведение. Были и алкоголики, и бездельники, и рецидивисты. В итоге выяснилось, что у них есть мутация в ферменте моноаминоксидаза. При нормальных условиях он активно расщепляет нейромедиаторы, например серотонин. При мутации ген не успевает это сделать, поэтому серотонин накапливается, что способствует перевозбуждению. Исследователи даже внесли мутированный фермент мышам, они стали агрессивными и убивали своего соперника (это нехарактерно для мышей: если противник забивается в угол, они перестают атаковать). Казалось бы, экспериментально доказали, вывели главный ген агрессии. Но к концу 1990-х набралась статистическая база разных носителей этой мутации и выяснилось, что люди, которые жили в хороших семьях без постоянного стресса и насилия, агрессивным поведением не отличались. А те, у кого эти факторы присутствовали в жизни, проявляли антисоциальное поведение. Так влияние среды модулировало эффект генов», — сказал исследователь.
Важная составляющая поведения — это обучение. Конечно, отрицать роль врожденного предрасположения к определенным реакциям нельзя, но для последующей реализации нужна тренировка. Даже инстинкты, центральное понятие науки о поведении животных, связывают сейчас не с заранее прописанной реакцией, а с обучением.
«Порой кажется, что поведение животных доведено до автоматизма. Однако при более подробном рассмотрении многие строительные, защитные реакции связаны с элементами научения. Есть основы, которые обеспечивают эту поведенческую реакцию, но если за ними не последует опыта, они могут дальше не развиться. Рассмотрим пример пения птиц. У них есть нейронная база для вокализации, но если они не будут учиться у сородичей, слушать их пение, то сами не научатся. Даже материнский инстинкт складывается из большого количества биологических подпрограмм: уровня гормонов, запаха или вида детеныша, благодаря которому активируется окситоцин, главный гормон, помогающий адаптироваться к материнству», — прокомментировал Антон Цыбко.
Разница в поведении мужчины и женщины
Зачастую мужчины и женщины не понимают поведение друг друга, однако, с точки зрения нейробиологии, кардинальных отличий между ними не так много. Разница заметна в деталях, влиянии разных гормонов. Например, в гиппокампе в зависимости от менструального цикла может меняться количество дендритных шипиков на нейронах (выростов на дендритных отростках нервных клеток). Их появление говорит о том, что нейрон в этом месте готов создать контакт с другими нервными клетками. Рост этих шипиков стимулирует эстрадиол, женский половой гормон, который во время менструации находится на своем пике. Кроме того, рецепторы мужских и женских гормонов (тестостерона и эстрогена) локализованы на разных частях нейронов. На глубинном уровне такие детали могут влиять, например, на разную стресс-чувствительность мужчин и женщин. Женщины более восприимчивы к воздействию хронического стресса, возможно, поэтому чаще подвержены тревожным и депрессивным расстройствам. С другой стороны, разница в поведении, которую мы видим, может быть в большей степени культурной особенностью.
Нейробиологические процессы на примере тревожного поведения
Когда мы получаем информацию через основной орган чувств человека — глаза, она проходит через весь зрительный тракт, из зрительной коры поступает в среднюю височную долю, а оттуда поступает в гиппокамп. Информация структурируется через дорсальный гиппокамп, доходит до вентрального и поступает в миндалину, главный отдел головного мозга, который отвечает за реакцию на отрицательные эмоциональные стимулы. В случае обнаружения опасности именно миндалина является источником сигнала, который поступает в другие структуры мозга. Например, в гипоталамус, благодаря нему надпочечники выбрасывают в кровь адреналин и норадреналин, за счет которых тело готовится бежать или драться.
«Миндалина во многом связана с генерализованным тревожным расстройством, когда она излишне активна в ответ на стимулы, которые неопасны. Это было подтверждено в исследованиях с помощью нейровизуализации: потребление кислорода в миндалине у таких пациентов выше, чем у среднестатистического человека. При посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) миндалина тоже излишне активна. У психопатов она, наоборот, не отличается высокой активностью. Это эволюционно древняя структура, отвечающая за реакцию на потенциально угрожающие стимулы», — сказал ученый.
Гиппокамп — важная структура для нормального функционирования мозга. Это центральный процессор, который пропускает всю информацию об окружающей среде через себя. Воспоминания в нем переводятся из кратковременной в долговременную память. Исследователи проводили много экспериментов, где показали, что повреждение гиппокампа приводит к тому, что ни человек, ни животное не может хранить информацию, память становится неустойчивой и короткой. «Был такой пациент, Генри Молисон, которому провели операцию по удалению гиппокампа, чтобы помочь справиться с эпилептическими припадками. В итоге он потерял все воспоминания за два года и не мог хранить информацию больше пяти минут, она не переходила в долговременную память», — отметил исследователь.
При положительных событиях и эмоциях работает мезолимбический путь. Он проходит от ядер вентральной области покрышки среднего мозга до лимбической системы. Большую роль здесь играет нейромедиатор дофамин.
Нейромедиаторы — основа гибкости мозга, главный источник связи между клетками, чаще всего именно на них основана синаптическая связь. «Нейромедиаторы появились еще у одноклеточных. Например, инфузория-туфелька с помощью глутамата (нейромедиатора, ускоряющего передачу сигнала между нейронами) общается, а серотонин у нее выполняет пищеварительную функцию», — сказал Антон Цыбко.
Зарисовки нейронов, выполненные Рамон-и-Кахалем по результатам микроскопии. Слева — Срез коры мозжечка голубя (1899): клетки Пуркинье (А) и гранулярные клетки (B). Справа — Клеточная архитектура сетчатки (1911)
Что мы знаем о мозге сейчас?
Отсчет современной нейробиологии можно начинать с открытия нейронной доктрины, которую преимущественно создал Сантьяго Рамон-и-Кахаль в конце XIX века. Ее концепция заключалась в том, что каждый нейрон анатомически самостоятелен, а нервная система — не единая непрерывная сеть, как считалось раньше. К концу XX века стало очевидно, что без понимания работы мозга невозможно лечить огромное количество когнитивных заболеваний, которые, судя по статистике, стали значительно себя проявлять.
«Повышенный интерес к нейронаукам продолжается уже долго. 1990-е годы были объявлены десятилетием мозга, ученые сделали большой рывок в области нейровизуализации, молекулярных основ поведения. Учитывая, что в будущем человечество будет становиться старше, а многие нейропатологии связаны с возрастом, важно понимать, как работает мозг. Помимо этого, благодаря изучению мозга появилась возможность развивать искусственный интеллект», — прокомментировал ученый.
Методов, с помощью которых исследователи могут изучать мозг, становится всё больше. Благодаря современным методам микроскопии можно регистрировать связи между нейронами, в том числе и в динамике, диффузионно-тензорная магнитно-резонансная томография (МРТ) покажет, как проходят связи между разными мозговыми структурами. Таким образом, можно воссоздать всю совокупность связей в мозге (коннектом). С помощью оптогенетики, метода, при котором в мембрану нейрона встраиваются белки, активируемые светом, узнать, как функционируют отдельные нейроны и их популяции. Ученые могут стимулировать одну или несколько областей мозга, смотреть, как они друг на друга влияют, есть понимание структур, которые участвуют в разных поведенческих реакциях. Современные методы генной инженерии, молекулярной биологии и визуализации сильно продвинули знания о мозге. Благодаря этому ученым удалось приступить к задаче по связыванию электрохимических сигналов в цепях мозга с поведением.
«Однако есть аспекты, которые еще недостаточно изучены, например молекулярная сфера. Интересно, что одна и та же клетка может записывать и кодировать в себе разную информацию от разных нейронов. На сигналы от одной популяции нейронов она отвечает одним образом, от другой — иным. Возможно, это и является основой категоризации, это когда близкие понятия кодируются одними и теми же популяциями клеток. У нас хоть и 80 миллиардов нейронов, но если бы на каждое события приходилась отдельная нервная клетка, это было бы слишком расточительно. Конечно, есть нейроны, которые отвечают, например, за распознавание конкретного лица, но это, скорее, исключение из правил. Были даже исследования, где ученые искали нейрон, который активируется на определенное лицо знаменитости. В большинстве случаев популяции нейронов перекрываются, в общих чертах понятно, как это работает, детали же остаются не до конца изучены», — сказал Антон Цыбко.
Полина Щербакова
Иллюстрации из открытых источников
