§ 10. Генетическая детерминация свойств поведения
Генетика поведения. Генетика поведения как самостоятельная научная дисциплина существует сравнительно недавно, ее возраст исчисляется с момента выхода книги Д. Фуллера и В. Томпсона «Генетика поведения» в 1960 г. Главной стержневой задачей этой науки сразу же стало изучение генетических основ индивидуально приобретенных форм поведения.
Вен совокупность генетического материала организм;» или его часть, т, е. комплекс всех наследственных задатков, контролирующих развитие, строение и жизнедеятельность организма, .чменую! сснотином-
Реализация генотипа особи происходит при ее непрерывном взаимодействии с внешней средой, а
продукт интеграции генотипических и средовых воздействий, заключающийся в наборе морфо логических,. физиологических и поведенческих
признаков организма, именуется фенотипом.
Между генотипом и фенотипом нет однозначного соответствия. Генотип лишь определяет возможные пути раз-
вития организма и его свойств при взаимодействии с внешней средой. Последняя влияет на фенотипическую изменчивость организма, а диапазон этой изменчивости зависит от так называемой нормы, реакции, которая задается генотипом.
Напомним основные наиболее устойчивые понятия. В генах, т. е. молекулах ДНК, заключены потенции организма. Эти потенции определяют норму реакции организма в отношении его физических и поведенческих функций. ДНК передает закодированное генетическое сообщение молекулы РНК. Таким образом, РНК получает от ДНК исходные инструкции, записанные с помощью линейного кода. До появления надлежащих стимулов большая часть комплексов ДНК находится в неактивной форме. После соответствующей стимуляции ДНК активируется и быстро синтезирует РНК так, что становится возможным и синтез специфических белков. В большинстве молекул ДНК каждый участок (локус) специализирован, поэтому его изменение приводит к фенотппическому дефекту поведения в результате синтеза измененных РНК и белков.
Уже с момента возникновения оплодотворенной клетки в результате слияния двух родительских клеток начинается реализация генетической информации, полученной от этих родительских клеток. На зародыш воздействует внешняя среда, которая передает свои влияния вначале через 'материнский организм, а затем и непосредственно. В дальнейшем
развертывание свойств генотипа в форме различных структурно-функциональных комплексов происходит под непрерывным воздействием среды. Поэтому любой фенотипический признак —• это сплав из врожденных и приобретенных компонентов.
Задачи генетики отведения состоят в стремлении выделить генетическую сущность в фенотипическом проявлении поведенческих актов, попытаться направленно влиять на генотипическую сущность поведенческих проявлений и базовых свойств нервной системы и наоборот, определить силу средового воздействия на генотип организма и оценить стабильный характер возникшей поведенческой изменчивости и др.
Несмотря на свою молодость генетика поведения не только разработала ряд специфических методов исследования, но и сформулировала ряд принципиальных теоретических положений.
Генотип и его влияние на поведение. Фактически все современные исследования показывают, что
изменении в генотипе глубоко влияют на внешне наблюдаемое поведение животных и , человека.
Наиболее распространен метод лабораторной селекции генетически чистых линий животных (инбредные линии), все особи которой обладают одинаковым генотипом. Если животные разных инбредных линий, выдержанные в одинаковых условиях, проявляют существенные различия в поведении, то приходят к выводу о генетической обусловленности этих различий.
Так, например, путем искусственного отбора были выведены линии крыс и мышей с высокой и низкой эмоциональной активностью в тесте «открытого поля» (рис. 16). Активными называют крыс, которые, будучи помещенными
на открытую освещенную площадку, обнаруживают частые дефекации и мочеиспускания и, оставаясь неподвижными, часто распластываются на одном месте. У нереактивных крыс не было дефекации, и они свободно разгуливали по площадке. Реактивные крысы из-за высокой эмоциональности медленно обучаются избеганию удара электрического тока.
Исследования на линиях животных с известным генетическим дефектом или мутантах привели к выводу, что способность к обучению, как и любой другой признак организма, детерминирована генотипом и обусловлена действием множественных генов. Путем использования множественного скрещивания (гибридологический метод) нескольких линий мышей, различающихся способностями к обучению, А. Оливерио (1972) показал, что эти генетические различия основаны на свойствах головного мозга обеспечивать разный уровень обучения.
Р. Коллинз и Д. Фуллер (1968) вывели линию мышей, а Л. В. Крушин-ский и Л. Н. Молодкина (1971) — линию крыс по признаку высокой чувствительности к действию сильного звука, который вызывал у них эпилеп-тиформные судороги. Такие генуинные формы аудиогенной эпилепсии стали широко распространенной моделью устойчивого патологического состояния. Сравнение неврологического статуса крыс линии Крушинского — Молодки-ной с крысами линии Вистар обнаружили у первых значительный дефицит в обучении ориентировке в 12-лучевом лабиринте, процессов кратковременной памяти и общей инертности возбудительно-тормозных взаимоотношений (Е. А. Рябинская и др., 1981) (рис. 17). В то же время по скорости переделки сигнального значения условных раздражителей (положительный превращается в отрицательный и наоборот) более способными оказались крысы линии Крушинского — Молодкиной по сравнению с крысами линии Вистар (Л. В. Крушинский, I960).
Р. Коллинз и Д. Фуллер предположили, что различия между линиями
Рис. 16. Средние показатели активности в открытом поле для мышей шести линий (Н( — La) в эксперименте с искусственным отбором (по Д. Дьюсбери, 1981)
мышей по их предрасположенности к аудиогенным судорогам контролируются одним геном. Обычно один ген влияет на несколько различных признаков. Например, альбинизм контролируется одним геном, который влияет одновременно и на признаки поведения в открытом поле. У человека гены, ответственные за микроцефалию и фенилкетонурию, вызывают расстройство в строении и биохимии мозга и сопровождаются умственной отсталостью. Однако большая часть свойств поведения животных детерминирована
действием многих генов, каждый из которых в отдельности сравнительно мало влияет на фенотип.
Генетика инстинктов. Занимаясь ге нетикой поведения, ученые сталкиваются с необходимостью и выбором для анализа «единиц поведения». Некоторые ученые считают, что наиболее удобными для этой цели являются комплексы фиксированных действий (КФД) благодаря их четкой выраженности и устойчивости.
В. С. Дилгер (1962) наблюдал гнез-достроительное поведение у разных ви-
дов попугаев-неразлучников. Особи одного вида отрывали кусочки материала для гнезда и переносили их в клюве, а особи другого не держали их в клюве, а засовывали под боковые перья. Гибриды, полученные от скрещивания этих видов, обнаружили смешанный тип поведения: птицы вначале засовывали материал для гнезда в перья, а потом вынимали его и брали в клюв, доставляя к гнезду. Такая смесь двух КФД была представлена у межвидовых гибридов. Следовательно, у гибридов в их генотипе представлены оба родительских поведенческих комплекса, однако извращена целесообразная последовательность их реализации.
Имеется много примеров, показывающих существование генов, действие которых подобно переключателю; они определяют, появится ли данный комплекс действия или нет. Вероятно,
естественный отбор благоприятствует группировке тех генов, которые способствуют проявлению полезного поведенческого признака.
Эффективным путем для изучения эволюции поведения является вышеописанный прием экспериментального анализа наследования КФД. ЛАетод получения межвидовых гибридов оказывается в этом плане весьма убедительным.
Нервно-психические заболевания генетической природы. К настоящему времени известно более 80 заболев'а-ний, связанных с определенными генетическими дефектами. И хотя очевидно, что наследственная информация влияет на развитие психопатологических симптомов, конкретные механизмы этого влияния в большинстве случаев остаются неизвестными.
ф Определенные виды расстройств высшей нервной деятельности связывают с тремя типами генетических аномалий. 1. Аномалии, связанные с рецессивными генами, возникают в результате дефицита определенного фермента в печени. Типичным примером такого рода заболевания служит фенил-кетонурия, которая в поведении проявляется в форме задержки умственного развития, а иногда сопровождается эпилептическими припадками и психо-
Рис. 17. Вероятность совершения крысами определенного числа ошибок при поиске пищи в лучах радиального лабиринта (по А. С. Бятуеву и др., 1983);
по оси ординат — вероятность; по оси абсцисс — число ошибок; / — средние величины у «необученных» (1 — 10-й опыты) и 2- у обученных (47 --56-й опыты) крыс линии Вистср; 3 — у «необученных» и 4 — у обученных крыс линии Крут и некого -Молодкиной; 5 — математическая мидель случайных посещений
зами. Данное заболевание обусловлено изменением генетического кода в одном участке хромосомы. 2. Аномалии, связанные с доминантными генами, в заболевании проявляются при особых условиях или стрессах. Ярким примером может служить хорея Геттингтона, которая начинается обычно в возрасте 30—40 лет (дегенерация коры и базальных ганглиев) и проявляется в непроизвольных движениях, неправильной подергивающейся походке, характерных гримасах, замедленной, невнятной речи, ухудшении памяти, повышенной раздражительности, депрессии, слабоумии.
Сходны с этой болезнью и такие наследственные заболевания нервной системы, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона (дрожательный паралич). Допускают, что такую же природу имеют шизофрения (грубое расстройство интеллектуальной деятельности) и маниакально-депрессивные психозы. Высокая наследственная предрасположенность к шизофрении не вызывает сомнения. Риск заболевания
шизофренией у детей, где один из родителей болен шизофренией, 10—15 и 35—40 %, если больны оба родителя. Существуют данные о высокой наследственной предрасположенности к эпилепсии, основным симптомом которой являются судорожные припадки. 3. Аномалии, связанные с хромосомными аберрациями, заключающимися в добавлении или утрате целой хромосомы или ее части. Типичным примером такого заболевания служит болезнь Дауна, выражающаяся в задержке умственного и психического развития. Больной имеет 47 хромосом вместо 46, свойственных нормальному человеку. Наличие лишней хромосомы обусловливает синтез избыточного количества фермента, необходимого для построения белков головного мозга.
Группу заболеваний с ранним нарушением интеллекта объединяют под термином олигофрения. При этом хромосомные мутации могут выражаться в изменении числа хромосом, их структуры или краткого изменения гаплоид-ного набора. И всегда они сопровождаются тяжелыми формами умственной отсталости в сочетании с различными пороками развития.
Л. Г. Романова и Л. Г. Калмыкова (1981) выдвинули гипотезу о генетической природе психических болезней. Они полагают, что доминантные мутации должны приводить к поражению или дисфункции строго ограниченных структур мозга. Приуроченность данного психического дефекта к определенным жестким мозговым системам дает возможность понять не только мозговые механизмы психических расстройств, но и определенные аспекты нормального поведения.
Генетика свойств нервных процессов. Первым, кто обратил внимание на необходимость изучить генетическую природу свойств основных нервных процессов (их силы, уравновешенности и подвижности), был И. П. Павлов в связи с разработкой им физиологической базы для определения типов нервной системы животных.
В дальнейшем работами отечественных ученых (Л. В. Крушинский, 1946;
В. К. Красусский, 1963) была доказана генетическая детерминированность силы возбудительного процесса, а В. К. Федоров (1971) показал зависимость от генотипа материнского организма такого свойства, как подвижность нервных процессов.
М. Е. Лобашов обратил внимание на наследование такого фундаментального свойства нервной системы, как возбудимость, которая определяет действие генов, детерминирующих отдельные поведенческие акты.
Ученики М. Е. Лобашова создали стройную систему взглядов на нейрохимическую и молекулярную детерминацию поведения (Н. Г. Лопатина, В. В. Пономаренко, 1987).
Исследования позволили вычленить эффект отдельного гена, вносящего основной вклад в формирование порога нервно-мышечной возбудимости, а также установить его идентичность с определенным локусом хромосомы. Более того, эти же гены участвуют в наследственной детерминации пороговых характеристик нервной системы в целом. У видов, пород и рас животных, имеющих высокую нервно-мышечную возбудимость, наблюдали и более высокую пищевую возбудимость и более высокие показатели силы возбуждения. Основой такой общности генетических механизмов могут быть функциональные или структурные особенности клеточных мембран и связанных с ними ферментов, определяющих характер протекания внутриклеточных процессов (В. В. Пономаренко, 1970).
Генетическая детерминация особенностей обучения. Выведены линии крыс, различающихся по обучаемости в сложном лабиринте: способные крысы ориентировались лучше по пространственным ориентирам, а неспособные — по зрительным. Большое значение при этом имеет характер мотивации: способные крысы сильнее мотивируются голодом, а неспособные — в защитно-оборонительных ситуациях.
Вклад каждой из скрещиваемых линий в свойства обучаемости конкретного поколения и особи неодинаков. М. П. Садовникова-Кольцова (1928)
Рис. 18. Корреляции между порогом Возбудимости нервно-мышечного аппарата и способностью к образованию условного рефлекса активного избегания у мышей 16 ннбредных линий (по Л. С. Дмитриеву, 1083);
а— порог возбудимости при раздражении икроножний мышцы одиночными электрическими импульсами длительностью 2 мс; б — количество условных рефлексов активного избегания r %; по горизонтали — линии мышей
предположила наличие у крыс трех групп генов, детерминирующих способность к обучению: гены двигательной активности, гены эмоции страха и гены ориентировочно-исследовательского инстинкта. Однако корреляция этих свойств со способностью к обучению не всегда проявляется, и в настоящее время рассматривают эти комбинации признаков как носящие фенотипический характер.
Наследственную основу различий в обучении М. Е. Лобашов предполагал искать в генетически детерминированных особенностях безусловных рефлексов и прежде всего в уровне пищевого рефлекса как основного модулятора функциональной активности нервной системы. Показано наличие генетических корреляций между уровнем функциональной активности нервной системы и способностью к выработке условных рефлексов (В. В. Понома-ренко).
Ю. С. Дмитриевым (1981) было установлено, что порог возбудимости и скорость образования оборонительных условных рефлексов проявляют сходный характер наследования (рис. 18).
Вероятно, в основе лежит множественный эффект какой-то общей группы генов. В число контролируемых им признаков поведения следует отнести ориентировочно-исследовательскую активность, общую двигательную активность и уровень эмоционального статуса. Последние могут участвовать в наследственной обусловленности условно-рефлекторных форм поведения. Ген, контролирующий вышеназванные признаки, идентичен гену, определяющему содержание биологически активных соединений в плазме крови, серотонина и норадрсналииа в тканях гипоталамуса (А. Оливерио и др., 1973; Ю. С. Дмитриев, 1981).
ф Таким образом, множественное влияние одного и того же гена может заключаться в контроле порога возбудимости нервной системы, содержания нейроактивных соединений и способности к обучению (образованию оборонительных условных рефлексов).
Генотип и анатомические особенности мозга. Благодаря трансплантации появилась возможность экспериментального изменения массы мозга. Пересадка африканской рыбке-теляпии
среднего мозга от донора увеличила общую массу мозга реципиента и одновременно улучшила ее интеллектуальные способности: рыбка успешно выполняла задачи по различению и переделке сигнального значения раздражителей, что до операции делала с трудом. К настоящему времени получено значительное число убедительных аргументов, которые позволили приписывать особую роль структурам гип-покампа в процессах обучения и памяти. В процессе начальных этапов обучения в нейронах гиппокампа наблюдается более интенсивное включение меченых белков (Р. Хиден, 1972). Ухудшение способности к обучению связывают, соответственно с нарушением синтеза специфических белков нервной ткани (типа S-100). Если в наследственной обусловленности структурных признаков и способности к обучению участвуют общие гены, то
генетическая изменчивость одного из признаков повлечет за собой изменения и в уровне проявления второго.
Оказалось, что изменчивость синапсов на клетках гиппокампа значима для наследственно обусловленного уровня активации этих нейронов. Причем число окончаний мшистых волокон на денд-ритах пирамидных клеток находится в определенной связи со способностью мышей к образованию оборонительных условных рефлексов. Между числом терминален на базальных дендритах и уровнем осуществления условных рефлексов существует высокая отрицательная корреляция. Высокий уровень условно-рефлекторной деятельности коррелирует с многочисленностью синапсов на апикальных дендритах пирамид гиппокампа. Последнее связывают с тем, что создаются лучшие условия для проявления состояния длительной активации гиппокампа, что обеспечивает его участие в процессах обучения и запоминания.
Структурные изменения распространяются и на другие отделы мозга: у крыс с высоким уровнем условно-рефлекторной деятельности обнаружена большая ширина сенсомоторной области коры, большие размеры зубча-
той фасции, мозолистого тела с большим числом миелинизированных волокон. Генетически детерминированные структурные особенности захватывают и лимбическую систему мозга (Н. И. Дмитриева и др., 1983, 1985): а) у хорошо обучающихся крыс увеличивается ширина лимбической коры; б) увеличивается размер клеток ядер гипоталамуса и амигдалы; в) увеличивается число глиальных клеток свода по сравнению с животными с низким уровнем возбудимости и скорости образования условных рефлексов.
Л. В. Крушинский (1977) считает, что избыточное количество нейронов мозга — необходимое условия для полноценного восприятия окружающей среды и формирования адекватных поведенческих реакций.
Генотип и нейрохимия мозга. Наследование свойств обучаемости по материнской линии позволяет обратить внимание на значение не только ядерного аппарата нервных клеток, но и всего цитоплазм этического содержимого. Реализация генетической информации, закодированной в молекуле ДНК в ядре нервной клетки, осуществляется при непосредственном участии химических факторов самой цитоплазмы клетки. Помимо широко известных первичных химических посредников-нейромедиаторов, с помощью которых информация передается к нервной клетке и активирует ее в соответствии с присущей ей собственной генетической программой, в настоящее время в самостоятельную категорию метаболических факторов выделены вторичные посредники (мессенджеры). В первую очередь к ним относят циклический аденазинмо-нофосфат(цАМФ), выполняющий функцию универсального клеточного регулятора.
Нейромедиаторы и пептидные гормоны выступают по отношению к клетке в качестве сигналов. Эти сигналы воздействуют на мембрану клетки и способствуют образованию из АТФ вторичных посредников — цАМФ, который стимулирует более чем 200-кратное усиление воздействия на клетку внешнего для нее сигнала. цАМФ активи-
рует соответствующие ферменты (про-теинкиназы), обеспечивающие образование определенных белков. Эти рецепторные белки встраиваются в по-стсинаптическую мембрану клетки и способствуют высокой эффективности воздействия определенного сигнала на клетку.
Ионы кальция также относят к категории вторичных посредников, от которых зависят как пре-, так и постсина-птические процессы клетки и формирование ее электрической активности. Вслед за открытием рецептора кальция — белка кальмодулина было установлено, что он регулирует синтез и распад цАМФ.
Особое внимание обращают на сте-роидные гормоны, которые реализуют свои эффекты, минуя систему вторичных посредников. В отличие от пептид-ных гормонов стероидные гормоны уже имеют собственные возможности проникновения в нервную клетку, где они связываются непосредственно с се ядром. Три основных фактора регуляции: вторичные посредники, ионы кальция и стероидные гормоны — взаимодо-полняют друг друга.
В. В. Пономаренко (1970) предложила гипотезу нейроэндокринной регуляции процесса реализации генетической информации, согласно которой вторичные посредники и стероидные гормоны представляют собой интеграцию функций нервной и эндокринной систем на молекулярном уровне. Возможность регуляции активности генов в нервной системе возрастает в эволюции за счет увеличения как нейрональных, так и гормональных звеньев этой регуляции, а также онтогенетического влияния на эти звенья, включая весь приобретенный индивидуальный опыт.
Гетерохрония реализации генетической программы. Признаки и свойства мозга, детерминируемые генетической программой, образуют так называемую консервативную наследственность вида. Она может отражаться в структурных или функциональных признаках, в константной последовательности этапов развития поведения. Эти признаки инвариантны для целого вида и возникли
иод действием стабилизирующего отбора. Динамика онтогенеза является удобной моделью для изучения закономерностей развертывания генетической программы. Например, изучение созревания восходящих возбуждений в кору мозга от ретикулярной формации, от зрительной системы и пр. позволяет представить ход развития врожденных матриц будущих поведенческих актов, формирующихся в процессе обучения (Ф. А. Ата-Мурадова, 1983). Особенность онтогенетического метода заключается во вмешательстве в гетерохронную активацию генома (гл. 3, §10).
Биогенетическая последовательность стадий развития физиологических систем отражает стадийное действие генных факторов различного эволюционного возраста. Активность генов каждой стадии развития, формирующей соответствующий фенотипический признак, создает необходимый генетический фон и включает новые системы генов следующей стадии. Например, созревающие первыми структуры восходящих корковых возбуждений прокладывают путь для других компонентов поздно созревающих структур.
П. К. Анохин (1968) подчеркивал опережающее активирование специфической генетической системы, определяющей стадийность развития, и раннее включение нейрональных функций как системного процесса. Так, синхронизация активности в популяциях нейронов, объединяющихся в рано созревающие ансамбли, отражает системный характер активации генетической программы. Установлена первичность созревания неспецифических восходящих в кору возбуждений. Вначале созревает более древняя холинергическая форма проведения, которая обусловливает первичную реакцию гиперсинхронизации. Затем добавляется адренсргиче-ский механизм, заменяющий гиперсинхронизацию характерной для взрослого десинхронизацией (Ф. А. Ата-Мурадова, 1983). При этом подчеркивается жесткость генетической запрограммированности данных феноменов, что свидетельствует об известной инвариантно-
ста соответствующих генных интеграции и об их значительном, историческом возрасте.
Одной из иллюстраций такого положения могут служить эксперименты с пересадкой (трансплантацией) мозговой ткани у амфибий. Пересадка закладки головного мозга между зародышами разных видов бесхвостых амфибий, значительно различающихся по поведению, показывает, что поведение в основном определяется трансплантированным мозгом (Л. В. Полежаев, 1983). Например, прошедшие метомор-фоз остромордые лягушки с пересаженным им мозгом жабы-чесночницы демонстрируют поведение жабы-чесночницы: ползают на брюхе, выкапывают в земле ямки и зарываются в них.
*