Моделирование на животных

У человека и других млекопитающих как биологических систем гораздо больше общности, чем различий. Например, число нуклеотидов в ДНК человека и мыши составляет примерно три миллиарда, причем более 99% генов у них являются общими. Любое поведение является результатом деятельности мозга. Известно, что многие механизмы деятельности мозга у человека и животных также идентичны. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эксперименты на животных как на более простых системах, к тому же при возможности вмешательства в деятельность этих систем, позволяют подойти к решению некоторых проблем генетики поведения человека. Вообще генетика поведения животных является самостоятельной областью генетики поведения, и в данной области ведутся различные исследования, прямым образом не связанные с генетикой человека, но способствующие решению некоторых её проблем. В дальнейшем, особенно в том разделе, где речь пойдет об индивидуальном развитии, мы еще не раз столкнемся с модельными экспериментами, ведущимися на животных. Воспользуемся несколькими примерами модельных экспериментов на животных, приведенными в руководстве по генетике человека Ф. Фогеля и А. Мотульски (1990).

Генетические различия в потреблении алкоголя. При изучении наследственных причин алкоголизма у человека широко используются эксперименты на мышах и крысах. Исследователям удалось путем инбридинга (близкородственного скрещивания) получить линии мышей с различной потребностью в алкоголе (напомним, что все животные, принадлежащие одной линии, имеют почти одинаковые генотипы). Мыши некоторых линий полностью избегают алкоголя, тогда как другие предпочитают в среднем до 2/3 дневной нормы жидкости получать в виде десятипроцентного раствора алкоголя. Были исследованы межлинейные различия в свойствах мозга и печени животных. Основные различия между контрастными линиями, выявились в двух сферах – в метаболизме алкоголя и в его воздействии на физиологию мозга. Было показано, что повышенная потребность в алкоголе сочетается с высокой чувствительностью мозга к его наркотическому действию. При скрещивании инбредных линий оказалось, что признак, обусловливающий различия между ними, контролируется двумя локусами.

Таким образом, эксперименты на животных позволили очертить те области, в которых необходимо было искать генетические различия между людьми, – это метаболизм алкоголя, то есть комплекс его превращений в организме, и нейрофизиологические реакции на алкоголь. В исследованиях на близнецах было обнаружено существенное генетическое влияние на метаболизм алкоголя, а в нейрофизиологических экспериментах с регистрацией электроэнцефалограммы (ЭЭГ) было показано, что лица, склонные и не склонные к потреблению алкоголя, имеют разный характер ЭЭГ и разную ее реактивность на введение алкоголя. Оказалось, что родственники алкоголиков, не страдающие алкоголизмом, имели похожий характер биоэлектрической активности мозга, а МЗ близнецы, в отличие от ДЗ, демонстрировали высокое сходство по реактивности ЭЭГ на алкоголь. Все эти эксперименты позволили заключить, что некоторые особенности метаболизма и характер чувствительности нервной системы к алкоголю являются генетически обусловленными причинами различий между людьми в склонности к потреблению алкоголя. Возникновение же алкоголизма как болезни, со всем комплексом поведенческих и личностных расстройств, определяется в основном внешними обстоятельствами, то есть средой. В обществе, где алкоголь доступен и традиционно является одним из элементов среды при общении людей, генетически восприимчивый к алкоголю человек имеет больше шансов заболеть алкоголизмом.

Способность к обучению. Никто не станет отрицать, что способность к обучению присуща не только человеку, но и животным. Эта способность широко исследуется в генетике поведения животных. Исследования проводятся также в основном на инбредных линиях крыс или мышей. В этой области преимущество экспериментов на животных заключается в том, что по результатам скрещивания особей разных линий, то есть животных с разными "поведенческими" генами, можно составить представление о характере наследования способности к обучению, а возможность выращивать потомство в различных условиях среды помогает определить характер средовых влияний на формирование способности к обучению, что в экспериментах с человеком, естественно, невозможно.

В ряде экспериментов по обучению условной реакции избегания изучались различия между линейными животными, которых помещали в специальную клетку, разделенную на два отсека. В один из отсеков подавался электрический ток, вызывающий неприятные ощущения. Чтобы избежать неприятного воздействия, животное должно было перепрыгнуть в другой, безопасный отсек клетки. Сначала животное обучается этой реакции, а затем перед включением тока подается сигнал в виде вспышки света, и животное постепен­но начинает реагировать на включение вспышки, а не на сам ток. Показателем скорости обучения служит число вспышек, необходимое для формирования условной реакции избегания. Оказалось, что инбредные линии мышей значительно отличаются по скорости обучения. Скрещивание линий с высокой и низкой скоростью обучения показало, что в основе различий лежит простой моногенный[3] тип наследования.

Другой тип поведения, связанного с обучением, – обучение в лабиринте, в отличие от поведения избегания, оказался подвержен не только генетическим, но и средовым влияниям. Чтобы добраться до кормушки, крысам необходимо было преодолеть лабиринт. В исходной популяции встречались животные, которые быстро находили путь и делали мало ошибок, и, наоборот, такие, которые затрачивали много времени и часто ошибались. Выборочная селекция в нескольких поколениях позволила выделить неперекрывающиеся субпопуляции "умных" и "глупых" животных. Это говорит о том, что в исходной популяции существовала заметная генетическая изменчивость по способности к обучению в лабиринте.

Затем был осуществлен эксперимент, который чрезвычайно важен для формулировки гипотезы в отношении способности к обучению у человека. Детенышей каждой из линий – "умной" и "глупой" – разделили на 3 группы. Крысята первой группы выращивались в обычных условиях. Детеныши из второй группы с момента рождения были лишены воздействия тех факторов среды, которые способствуют познавательной или исследовательской деятельности, то есть росли в условиях депривации. Третья группа крысят, наоборот, была помещена в обогащенную среду – внутри клетки находились трапы, зеркала, туннели и другие приспособления, способствующие развитию разнообразных видов активности. Самое интересное – то, что межлинейные различия в этой ситуации наблюдались только в группах животных, выращиваемых в обычных условиях. Депривированные животные обеих линий одинаково плохо справлялись с лабиринтом, а вот животные, росшие в сенсорно-обогащенной среде, независимо от принадлежности к линии, почти одинаково хорошо обучались поведению в лабиринте (рисунок 5.8). Из этого опыта следует, что депривация в раннем возрасте отрицательно сказывается на способности к обучению в дальнейшем, и, наоборот, сенсорно-обогащенная среда может улучшить эту способность, несмотря на существующие генетические различия.

Подчеркнем еще раз, что генетические различия, заметные в одном диапазоне сред, могут не проявиться в фенотипе при перемещении тех же генотипов в другой диапазон (см. главу 4), и то, что генетическая детерминация вариативности признака не означает невозможности его изменения путем изменения среды. Здесь же хочется обратить внимание читателей на гипотетический график нормы реакции для интеллекта человека (рисунок 15.1), демонстрирующий критическое значение депривации для развития нормального интеллекта. Так что между генетическими исследованиями поведения животных и человека существует множество точек соприкосновения, и некоторые схемы эксперимента, которые мы можем осуществить на животных, позволяют формулировать и проверять наши гипотезы в отношении человека.

Рисунок 5.8. Результаты обучения в лабиринте "умных" и "глупых" крыс, выросших в различных условиях (по Ф. Фогелю, А. Мотульски, 1990)

С развитием генной инженерии стали появляться принципиально новые возможности исследования эффектов единичных генов. В 1994 году (Capecchi M.R., 1994, цит. по Michel G.F., Moore C.L., 1995) появилась методика, позволяющая получать эмбрионы мышей, у которых один из нормальных генов полностью инактивирован. Это так называемый генный нокаут. Методика является неким аналогом методов, используемых в нейрофизиологии для изучения последствий удаления отдельных областей мозга. В случае генного нокаута изучаются последствия удаления отдельного гена, то есть фактически последствия лишения организма того генного продукта, который вырабатывается на основе изучаемого гена. Методика сложна и трудоемка, проводится в несколько этапов, которые включают клонирование нужного гена в бактериях, работу с генной ДНК, внедрение измененной ДНК в эмбриональные клетки на ранних стадиях развития, различные ухищрения для отбора нужных клеток, в которых произошла инактивация гена, последовательные скрещивания для получения поколения мышей с нокаутированным геном. В дальнейшем это потомство тщательно исследуется для выявления морфологических, физиологических и поведенческих нарушений, являющихся последствиями инактивации гена. К сожалению, такая сложная методика в исследованиях генетики поведения во многих случаях может привести лишь к обнаружению достаточно тривиального плейотропного эффекта действия гена. Плейотропный, или множественный, эффект является весьма распространенным в отношении влияния генов на признаки. Он означает, что генный продукт может быть включен в столь важные процессы метаболизма, что они существенно влияют на самые разнообразные признаки, в том числе и на поведение. Однако дальнейшее развитие метода генного нокаута, по-видимому, окажется полезным и для специфических целей генетики поведения. Уже сейчас получены первые результаты, демонстрирующие, что утеря некоторых важных биохимических субстанций в нервной клетке в связи с нокаутом способна влиять на онтогенетическое формирование соматосенсорной системы мыши.

В настоящее время методы молекулярной биологии все больше внедряются в генетику поведения. Одним из них является метод картирования сцепления.

Выводы

1. В силу общности многих генетических и поведенческих особенностей человека и других млекопитающих возможно в модельных экспериментах на животных исследовать генетические механизмы поведения человека.

2. Преимуществом экспериментов на животных является возможность целенаправленного скрещивания и произвольного варьирования условий среды, что невозможно осуществить в экспериментах с людьми.

3. Инбридинг по поведенческим признакам показывает, что возможно получать особи с контрастными генотипами, различающиеся по особенностям поведения. Это говорит о существовании генетических основ изменчивости поведенческих характеристик.

* На рисунках 5.1–5.2 и 5.6–5.7 приводятся несколько измененные варианты схем, предложенные Дж. Лоэлином для анализа компонент фенотипической дисперсии (Loehlin J С, 1992)

[1] Различают три основных вида оболочек плода: амнион, хорион и плаценту. Амнион и хорион являются зародышевыми оболочками, то есть развиваются из клеток зародыша Амнион представляет собой внутреннюю зародышевую оболочку Это тонкая оболочка, которая несет защитные функции и выделяет амниотическую жидкость. По мере роста зародыша амнион расширяется и всегда бывает прижат к стенке матки. Наружная зародышевая оболочка называется хорионом. Хорион играет важную роль в питании зародыша. Ворсинки хориона образуют тесную связь с материнским организмом через плаценту Плацента – это временный орган, образующийся у плацентарных млекопитающих и происходящий одновременно из клеток плода и матери Плацента служит связующим звеном между кровеносными системами матери и плода. После родов плацента, соединенная с хорионом (детское место), отделяется от стенки матки и также выходит через влагалище.

[2] Напомним, что эффекты внутриутробной среды у усыновленных Детей определяются их биологическими матерями, поэтому, строго говоря нельзя считать, что у таких детей нет элементов общей среды с их биологическими матерями Если изучаемый признак чувствителен к влияниям внутриутробной среды, то в схемах исследования необходимо учитывать и материнский эффект.

[3] Моногенным называется наследование признака, связанное с действием единичного гена

Поиск по сайту: