Химерный мозг и поведение

Что такое химеризм?

Термином химера принято обозначать монстра, построенного из частей различных животных. В биологии под химерой понимают ор­ганизм, развившийся из двух слившихся зачатков от различных ин­дивидуумов или составленный из тканей двух разных генотипов. Различают агрегационный химеризм, получаемый агрегацией раз­личных яиц, инъекционный химеризм, получаемый инъекцией кле­ток внутрь бластоцисты, и трансплантационный химеризм, получае­мый с помощью различных методов трансплантации тканей. Сейчас мы можем выделить еще одни вид химеризма, молекулярный химе­ризм, когда в геном какого-либо организма вводят чужеродный ген и получают таким способом трансгенных животных. Различные ва­рианты химеризма используются и в нейрогенетике для исследова­ния генетической детерминированности тех или иных поведенче­ских признаков.

Влияние различных трансплантаций на поведение

Некоторые интересные результаты были получены в эксперимен­тах с гомотипическими трансплантациями различных отделов мозга. Так, материал из эмбриональной закладки tectum мозга рыбки Tilapia macrocephala был имплантирован в мозг реципиента того же вида и воз-)аста. После созревания реципиентов испытывали в экспериментах по приобретению некоторых навыков. Некоторые экспериментальные животные продемонстрировали более быстрое усвоение этих навыков по сравнению с контролем, так что им под силу было решать даже та­кие задачи, которые рыбы решать неспособны. Эти различия коррели­ровали с различиями в структуре мозга (рис. 7.12).

Значительные успехи в этом же направлении были достигнуты с помощью ксенопластических трансплантаций. Активно занимавшийся данной проблемой в ЗО-е годы Г. Гирсберг (Giersberg) поставил три во­проса: 1) каковы регулятивные способности нервной системы в случае ксенотрансплантации; 2) как складываются после операций такого ро­да взаимоотношения центральной и периферической нервной системы; 3) будет ли изменяться поведение животного в соответствии со специ­фикой трансплантата. Автор проводил трансплантации эмбриональной нервной ткани между жабами (Bufo calanita, В. vulgaris, Pelibates) и ля­гушками (Rana fusca, R. arvalis, Hyla). Иногда экспериментальные ля­гушки R. arvalis с приживленным трансплантатом мозга жабы не пры-

^ i ло-иидержащие оелки имеют также ДНК-связывающие доме­ны. Следовательно, PER принадлежит к семейству белков, некоторые представители которого являются транскрипционными факторами, так что сам PER может быть транскрипционным регулятором. В то же вре­мя PER не имеет ДНК-связывающего домена, но ren per содержит в 5¹-области Е-бокс - мишень для bHLH белков и, возможно, именно этот тип ДНК-связывающих молекул компенсирует per отсутствие ДНК-связывающего домена. Но, как упоминалось, PER образует димер с про­дуктом гена tim, a TIM не имеет последовательности, связывающейся с ДНК, а также PAS области. PER-TIM-димеризация обнаружена и у дрожжей, в S2 клетках культуры тканей и in vivo. В опытах на клетках S2 был обнаружен второй PAS-повтор (PAS В), взаимодействующий с TIM. Эта область была обозначена как цитоплазматически локализо­ванный домен (CLD) и, если он делетирован, PER транспортируется в ядро даже в отсутствие TIM. Точно так же, если делетирован CLD в кар-бокси-терминальном конце TIM, последний транслоцируется в ядро да­же в отсутствие PER. Таким образом, димеризация двух белков маски­рует CLD и разрешает ядерную транслокацию. Биологическая значи­мость этой димеризации подтверждается и тем, что она найдена у дру­гих объектов.

Ген per экспрессируется в нервной и многих не-нервных тканях. Естественно, для оценки роли этого гена в поведении особенно важен анализ экспрессии PER и TIM в центральной нервной системе. Оба продукта выявлены в фоторецепторах и латеральных нейронах ЦНС (LNs). Фоторецепторы обнаруживают циклическую динамику колеба­ний содержания PER и TIM, и это опосредует ритм циркадной фото­чувствительности. Исследование различных per трансгенов, генетиче­ских мозаиков и некоторых мутантов показало, что маленькая группа LNs, экспрессирующих per и tim, является комплексом пейсмекерных клеток, ответственных за генерацию циркадных локомоторных цик­лов. Было также обнаружено, что большая часть белка PER головно­го мозга синтезируется в глиальных клетках. В торакальном ганглии экспрессия PER ограничивается только глиальными клетками. Про­дукция белка PER в торакальном ганглии контролирует 60-секундную песню любви у самцов Drosophila melanogaster. Мутанты, изменяющие длительность этой песни, параллельно изменяют и циркадный ритм. Очевидно, экспрессирующая per ген глия регулирует каким-то обра­зом функционирование нейральных модулей, детерминирующих те или иные циклы.

Функционирование генов per и tim в не-нервных органах, например в мальпигиевых сосудах (аналог почек) насекомых также циклично да­же у декапитированных мух. При культивировании клеток кольцевых желез дрозофилы цикличность синтеза белка PER сохраняется в тече­ние недели, и, следовательно, возможен автономный характер регуля­ции циркадного ритма.

Ген, гомологичный per, был обнаружен у гигантского шелкопряда \ntheraea pernyi, которому свойствен четкий циркадный ритм, при этом зыявлены соответствующие биоритму колебания синтеза per мРНК в

90

нальной нервной ткани дрозофилы в мозге амфибий и млекопитающих. При трансплантации в желудочек развивающегося мозга лягушки эм­бриональные нервные клетки дрозофилы дифференцируются, формиру­ют нейропиль, образуют ганглиоподобные скопления, устанавливают контакты с мозгом хозяина (рис. 7.14). В мозге млекопитающих они диф­ференцируются компактной группой и также отправляют свои отростки внутрь ткани хозяина. Интересен морфогенетический эффект ксено-трансплантата: Л.И. Корочкин и СВ. Савельев показали, что он блоки­рует образование глиального рубца, стимулирует васкуляризацию обла­сти трансплантата и рост отростков нервных клеток. Это обстоятельст­во было использовано хирургами для лечения болезни Паркинсона. Это заболевание, выражающееся в дрожании различных частей тела, связано с гибелью дофаминэргических нервных клеток в области стриатума. Его лечат хирургическим путем, трансплантируя дофаминэргические нерв­ные клетки эмбрионов человека с целью восполнения недостаточности этих клеток и соответствующего медиатора у пациентов. Успеху опера­тивного лечения препятствует образование глиального рубца, которых как бы изолирует трансплантат от ткани мозга хозяина, так что процент излечения не очень высок. Добавление к трансплантируемой эмбрио­нальной нервной ткани человека эмбриональных клеток дрозофилы блокировало образование глиального рубца, что значительно повышало эффективность оперативного вмешательства. Кроме того, ксенотранс-плантат оказывает определенное влияние на поведение реципиентов-ля­гушек. В качестве теста на поведение в данном случае были использова­ны особенности реакции всплытия контрольных и экспериментальных взрослых шпорцевых лягушек, необходимой им для дыхания атмосфер-

гали, подобно лягушкам, а ползали наподобие жаб. Как и жабы, они пытались копать норы.

В сходных опытах Г. Андрее (G. Andres) и Е. Росслер (Е. Rossler) трансплантировали эмбриональную нервную ткань мозга между Xenopus laevis и Hymenochirus boettgeri, которые различаются по поведе­нию и морфологии мозга. Hymenochirus - хищник, Xenopus - нет, Голо­вастики Н. boettgeri с мозгом X. laevis не проявляли поведения, свойст­венного хищникам, но абсорбировали еду из воды посредством засасы­вания и фильтрации. В России М.А. Александрова и Л.В. Полежаев проводили трансплантации эмбриональной ткани мозга между эмбрио­нами Rana temporaria и Xenopus laevis, принадлежащих к разным родам. X. laevis с трансплантатом нервной ткани R. temporaria были нежизне­способны. Поведение R. temporaria с кусочком мозга X. laevis было сход­но с таковым донора. Например, эти экспериментальные животные ос­тавались в воде подобно X. laevis и не ловили мух, как это делают нор­мальные травяные лягушки, но поедали мотыля или другую пищу, за­глатывая ее, как это делают шпорцевые лягушки. Гистологические ис­следования свидетельствовали о том, что трансплантат чужого мозга переживал, дифференцировался и устанавливал контакты с мозгом хо­зяина (рис. 7.13).

Вообще следует отметить, что возможности ксенотрансплантации в пределах позвоночных достаточно велики. Какое-то время (до 3-4 дней) переживает нервная ткань эмбрионов амфибий в мозгу мышей и наоборот.

Недавно была продемонстрирована структурная и функциональная совместимость нервной ткани позвоночных и беспозвоночных. Нерв­ные клетки насекомых (Periplaneta americana) и эмбриональные нерв­ные клетки птиц культивировали вместе, и оказалось, что они могут устанавливать между собой синаптические связи. Показана возмож­ность межвидовых трансплантаций нервной ткани у моллюсков и у дро­зофилы.

Наконец, оказывается, возможно переживание и развитие эмбрио-

ным воздухом. Наблюдения проводили в специально сконструированном вертикальном лабиринте. Стенки его и верхнюю площадку изготовили из прозрачного, а нижнюю площадку из матового пластика. Нижняя име­ла один выход в центре, а верхняя - два по краям. Животное помещали под нижнюю площадку и 30 минут следили за его поисками выхода из ла­биринта (рис. 7.15).

Фиксировали общее время активных попыток перед всплытием, время прохождения между нижней и верхней площадками, количест­во поисковых периодов между всплытиями, предпочтение правому или левому выходу в верхней площадке и возвращение под нижнюю площадку после вдоха. Всех животных обследовали каждый день на протяжении недели, в некоторые дни дважды, причем среди экспери­ментальных выделили две группы особей: первая - с нервными клет­ками трансплантата (от дрозофилы), меченными флуоресцеином, вторая - с немечеными. После проведения каждого из 50 опытов ля­гушат наркотизировали, выделяли мозг, фиксировали его в 4%-ном формальдегиде, затем материал обрабатывали для исследования в световом и сканирующем электронном микроскопе, чтобы убедить­ся в приживлении и развитии трансплантата у подопытных живот­ных. В целом наблюдения показали, что для лягушек массой 3,5-6,0 г средний интервал между всплытиями к поверхности аквариума составил 3—4 мин. Однако их можно было удержать под водой и в те­чение 3 ч. без видимых негативных последствий. Вместе с тем у экс­периментальных особей время общей активности было вдвое мень­ше, они вели себя спокойнее, чем контрольные. Количество всплы­тий для дыхания у тех и других было одинаковым. А вот число выхо­дов из лабиринта лягушек с химерным мозгом - в два раза больше. Этот результат однако характерен лишь для экспериментальных жи­вотных, в мозгу которых содержались не меченные флюоресцеином нервные клетки дрозофилы. У особей же с меченными этим марке-

огневки Ephestia kuhniella, вытягивая брюшко вперед к низу, так что жа­ло и антенны направлены вперед. Затем оса медленно подползает к гу­сенице и вонзает в нее жало, не выбирая для этого какого-либо опреде­ленного места. В момент укола антенны движутся над поверхностью те­ла гусеницы. Когда брюшко выпрямляется, жало втягивается назад, а оса всасывает жидкости, выделяющиеся из совершенно неподвижной гусеницы после укола ее яйцекладом. Впоследствии оса откладывает яйцо в тело своей жертвы. Самцы на гусениц не реагируют, даже избе­гают их. Как только появляются самки, они возбуждаются и сразу уже пытаются покрыть самок. Один и тот же самец способен успешно спа­риться несколько раз с одной или с несколькими самками. Во время ко­пуляции он вибрирует крыльями и антеннами. Копуляция длится до двух минут. Поведение гинандроморфов, у которых в мозгу перемеша­на мужская и женская ткань, извращено. Оно зависит от генетической конституции клеток мозга (мужская или женская) и не зависит от гене­тической конституции половых желез. Такие особи ухаживают за ли­чинками и жалят самок. ■

Трансплантация ткани мозга и поведение насекомых

Метод трансплантации широко использовался для изучения поло­вого диморфизма по поведению у насекомых. В частности, была проде­монстрирована зависимость организации нервных центров от половой специфичности рецептивных полей. У самцов моли Manduca sexta, у самцов Bombyx mori и у других насекомых установлено наличие в антен­нах длинных волосковоподобных ольфакторных сенсилл, отсутствую­щих у самок (так называемые трихоидные сенсиллы). Их наличие опре­деляет особенности полового поведения самцов, реагирующих на запа­хи самки и летящих по направлению к ней. В соответствии с этими осо­бенностями периферического сенсорного аппарата устроена и ЦНС, различающаяся у самцов и самок, а именно в мозгу самцов присутству­ет так называемый макрогломерулярный комплекс (см. гл. 5).

Как уже отмечалось, в экспериментах, поставленных на Manduca sexta, было обнаружено, что образование этого комплекса (МГК) в ЦНС обязано рецептивным волокнам, посылаемым в центр трихоидны-ми сенсиллами. Шнейдерман (Schneiderman) с сотрудниками трансплан­тировали антеннальные и магинальные диски самцов в головы личинок самок вместо одного из ее собственных антеннальных имагинальных дисков перед окукливанием. Подопытные животные были гинандро-морфами, при этом в антеннах, развившихся из трансплантата, диффе­ренцировались трихоидные сенсиллы. В соответствии с этим в области мозга самок, куда они проецировались, возникал не свойственный сам­ке макрогломерулярный комплекс, и в поведении таких самок проявля­лись "самцовые" черты - они реагировали на запах самки и подобно самцам летели в направлении источника запахов. По всей вероятности, морфогенетические процессы, протекающие в ткани мозга, в опреде­ленной степени зависят от функционирования генетической системы,

Гинандроморфизм (половой мозаицизм) и поведение

Под гинандроморфизмом - понимают половую аномалию, при ко­торой одна часть организма является женской, а другая - мужской. Ги-нандроморф может получаться, когда, например, в одном из двух XX бластомеров одна из Х-хромосом будет элиминирована, а в другом бла-стомере сохранятся обе половые хромосомы. В таком случае из XX-бластомера разовьются "женские структуры", а из ХО-бластомера -"мужские".

Половое поведение гинандроморфных химер включают все воз­можные случаи - ухаживание за самцами, ухаживание за самками, а также ухаживание и за самцами и за самками. Установлено, что у Drosophila и осы Habrobracon половое поведение детерминируется по­лом мозга, а у домашней мухи - полом брюшка. Интересны экспери­менты, поставленные на осе Habrobracon Уайтингом (Whiting) в конце 30-х годов. У ос гинандроморфы выводятся иным способом, нежели ра­нее описанный, они появляются из аномальных яиц с двумя ядрами, из которых лишь одно оплодотворяется. Женская часть развивается из ди­плоидной половины, а мужская - из неоплодотворенной гаплоидной.

Оказалось, что поведение насекомого зависит от того, каков гено­тип тканей его головы. В норме самки активно реагируют на гусениц