или зарегистрируйтесь.
Если вы забыли пароль, то введите ваш e-mail, и мы отправим инструкцию по восстановлению на почту
Ключевые слова: механизмы поведения, поведенческий выбор, нейромодуляция, volume transmission, принятие решения.
Наблюдения за животными в естественных условиях обитания свидетельствуют о зависимости их поведения от контекста,
Хорошо демонстрирует проблему, нерешенную на сегодняшний день в области изучения механизмов
Таким образом, эта работа приводит убедительные свидетельства в пользу того, что пищевой контекст как внутренний (сытый/голодный), так и внешний отсутствие/наличие еды), отражается на тонической активности определенного идентифицированного нейрона. Активность N3t, в свою очередь, определяет функциональный статус центрального генератора поведенческой программы. Существенным результатом этой работы стала и демонстрация на клеточном уровне справедливости представлений этологов о центральном эндогенном происхождении поведенческой программы, которая может высвобождаться даже при отсутствии внешних стимулов.
Не упоминается в обсуждаемой статье различие трансмиттерной специфичности клеток, участвующих в этом
Сходный принцип описания представлен и в других, более сложных моделях
Между тем параллельно накапливается все больше данных, заставляющих исследователей говорить о том, что контекст на клеточном уровне, это, повидимому, уровень нейромодуляторов или нейрогормонов. При этом к числу нейромодуляторов, нейрогормонов и метамодуляторов относят те же нейротрансмиттеры, которые за пределами синаптических щелей (beyond neurotransmission) приобретают способность гуморального (интегративного) действия. О неудобстве существующей классификации сигнальных молекул свидетельствуют примеры, когда одни и те же вещества в одних и тех моделях одни авторы называют нейротрансмиттерами, другие модуляторами и метамодуляторами, третьи нейрогормонами, а иногда просто гормонами [например, 36, 64, 73]. В этой ситуации привлекательно смотрится недавно сформулированная
СЫТЫЙ–ГОЛОДНЫЙ
Впервые о возможном интегративном действии нейротрансмиттеров было заявлено после экспериментов по изучению влияния серотонина на поведение пиявки и моллюсков. Уже стали классическими работы, которые показали, что уровень серотонина повышается у голодных животных, и серотонин имитирует влияние голода на некоторые формы поведения [13, 59]. Под интегративным действием понимается характерная для объемной передачи ситуация, когда возбуждающие, тормозные и модулирующие, а иногда и гормональные эффекты нейротрансмиттера на разные клеточные мишени складываются в хорошо координированный ответ локальной системы. Позднее, сопоставив поведенческие эффекты серотонина у плоских червей, аннелид и моллюсков,
В 2009–2010 годах изучение механизмов влияния пищевого поведения на ответ пиявки на тактильную стимуляцию привело еще к одному принципиальному для общей нейробиологии выводу: так называемые командные нейроны не являются нейронами, принимающими решение. До недавнего времени почти общепринятым было представление о том, что именно командные нейроны собирают, анализируют всю необходимую сенсорную и гормональную информацию и играют ключевую роль в принятии решения [29]. Предполагалось также, что командные нейроны, отвечающие за конкурентные формы поведения, ингибируют друг друга в соответствии с иерархией поведений. В недавней работе на кровососущей пиявке, у которой пищевое поведение ингибирует все другие виды активности, включая защитные реакции, было показано, что тормозный сигнал может приходить прямо от хеморецепторов, воспринимающих запах пищи, на тактильные рецепторы [37]. В этом механизме командные нейроны вообще не участвуют. Серотонин, выделяющийся во время пищевого по ведения кровососущей пиявки, подавляет секрецию нейротрансмиттера тактильными рецепторами [36]. Статья опубликована в Nature for Neuroscience под ярким ироничным названием «Принятие решения путем торможения сенсорных терминалей». Примечательно, что прямое, без участия командного нейрона, взаимодействие между тактильными рецепторами и мотонейроном защитного втягивания было показано на виноградной улитке еще в 80х годах в лаборатории
Сравнительное исследование показало, что доминирование пищевого поведения над всеми другими, включая избегательное и защитное, свойственно не всем видам пиявок [38]. Хищные формы, в отличие от сосущих, не демонстрируют подавления ответа на механические стимулы во время питания. При чем эта закономерность сохраняется независимо от систематического родства исследуемых видов.
Зависимая от пищевого контекста локомоция нематоды Caenorhabditis elegans находится под управлением двух моноаминов — октопамина и серотонина, каждый из которых имитирует влияние двух условий: внутреннее состояние голода (октопамин) и внешний сигнал о присутствии пищи (серотонин). В
Серотонин, напротив, повышается при обнаружении пищи (колоний бактерий) и приводит к торможению локомоции и активации пищевого ритма [84]. Эффект серотонина идентичен действию самих бактерий на активацию пищевого поведения, он активирует одновременно различные моторные системы консуммации: сосательные движения глотки и перистальтику истмуса [87].
Тормозный эффект серотонина на локомоцию ценорабдитиса опосредуется ионотропным (анионным, хлорным) серотониновым рецептором МОД1 [76]. В более поздних исследованиях [23] было показано, что характерное переключение с «бродяжничества» (локомоторной активности с меняющимся направлением движения) на остановку регулируется концентрацией пищевых ресурсов. Однако сенсорных сигналов о наличии еды недостаточно, необходима консуммация и внутренний сигнал о «пищевой ценности» субстрата. Этот вывод сделали на основе того, что нематоды не останавливались, находясь на скоплении бактерий того же вида, но обращенных в гигантизм, которых они не могли проглотить. Остановка на субстрате является также зависимой от предыдущего опыта животного, например, у недавно испытавших длительный период пищевой депривации остановка локомоции может наблюдаться на менее обогащенном субстрате, чем у «умереннноголодных» особей [23]. В 2010 году вышел детальный обзор по регуляции пищевого и голодного поведения у С. elegants [63].
Пищевой контекст оказывает влияние на выбор поведения раком в ответ на надвигающуюся тень [45, 60, 61]. Сытые животные при одном и том же внешнем контексте (например, количество особей в аквариуме, скорость надвигания тени) демонстрируют примерно равновероятный выбор между замиранием и резким отскоком. Однако голодные животные существенно чаще демонстрируют замирание, еще более вероятным выбор реакции замирания делает появление пищи, а так же наличие конкурентов. Сходный эффект — сдвиг в сторону реакции замирания вызывает серотонин. Авторы обсуждают результаты с позиций нейроэкономических идей о взвешивании нервной системой возможной награды и оплаты при принятии решения о выборе поведения. Они высказывают и гипотезу о том, что поведенческий контекст — это контекст нейромодуляторов.
Недавняя работа на крысах проверяет гипотезу о роли экстраклеточного содержания дофамина в стриатуме и голубом пятне при выборе поведения в зависимости от пищевой мотивации и вероятности получения под крепления. Показано, что экстраклеточный уровень дофамина коррелирует положительно с пищевой заинтересованностью, и отрицательно — с усилиями, необходимыми для получения пищи [70].
Наши исследования на большом прудовике также привели к выводу о роли экстрасинаптической секреции серотонина в механизме влияния голода на поведенческий выбор. В 90х годах мы нашли, что голод увеличивает локомоцию, ориентировочные и исследовательские реакции в ответ на нейтральные раздражители, такие как повороты в сторону тактильной стимуляции, подползание и ощупывание незнакомого объекта [6, 7]. Эти эффекты имитировал метаболический предшественник серотонина
На моллюске Pleurobranchaea californica была подтверждена роль тонического уровня серотонина в обеспечении выбора ответа клеточным ансамблем, отвечающим за реакцию на тактильное раздражение щупальца [98]. В церебральных ганглиях этого моллюска найден клеточный генератор поворотов головы в ответ на тактильные и другие стимулы и две его конфигурации: симметричная, отвечающая за поворот в сторону раздражителя, и ассиметричная, вызывающая поворот в противоположную сторону. В присутствии серотонина генератор работает в симметричной конфигурации. Эти данные подтвердили ключевую роль серотонина в механизме активации ориентировочного поведения под влиянием голода.
ПОБЕДИТЕЛЬ ИЛИ ПОБЕЖДЕННЫЙ, ДОМИНАНТ ИЛИ СУБОРДИНАНТ
Механизмы влияния социального статуса или исхода противостояния в конфликтах на поведенческое состояние животного (позу тела, последующий выбор ответов на разные стимулы, другие формы поведения) относится к еще одной активно развивающейся теме исследований. Одним из первых открытий, связанных с демонстрацией интегративного (нейрогормонального, как его описали авторы) действия нейротрансмиттеров стала работа 1980 года на омаре [62]. В ней было показано, что инъекция серотонина и октопамина вызывает принятие противоположных поз: высокой с поднятыми и раскрытыми клешнями и низкой, соответственно. Исходно интерпретация сводилась к противоположному действию аминов на состояние мышц, экстензоров и флексоров. Позже обратили внимание на сходство поз, вызванных серотонином и октопамином, с позами доминанта и субординанта, и помимо периферических механизмов действия моноаминов были частично открыты и центральные [55, 56]. В отличие от Лента и Сахарова, показавших имитацию голодного поведения серотонином у пиявки и улитки и впервые заговоривших именно о возможном интегративном действии нейротрансмиттеров, авторы тогда предложили более осторожный, впрочем, до сих пор используемый, вариант интерпретации, используя понятие нейрогормона [55–57].
Позже R. Huber занимался исследованием механизмов принятия решения об эскалации или, наоборот, прекращении агрессии и «сдаче» в процессе установления социального статуса у омаров. Как и на других животных, здесь было показано, что решение о проигрыше принимается
Серотонин обладает выраженным подавляющим влиянием на избегательное поведение и у насекомых [4, 41]. Мы нашли, что «пугливые» сверчки с фармакологическим дефицитом серотонина достоверно чаще проигрывают в драках [33]. Длительность и интенсивность драк у них также существенно снижена [91]. Эти данные хорошо согласуются с результатами японских исследователей, показавшими, что уровень серотонина снижается в мозге субординантов и неагрессивных самцов с удаленными антеннами [65, 66]. Напрашивается предположение, что усиление избегательного поведения субординантных сверчков может опосредоваться снижением уровня серотонина. А в механизме усиления агрессивности доминантных сверчков хорошо доказана роль октопамина [78, 90].
Исследование механизмов действия серотонина на модели социальных отношений у ракообразных активно продолжается. Так, недавняя работа на раках показала, что эффект серотонина, вызывающий активацию флексоров и принятие высокой позы, наблюдается не у всех животных в популяции [25]. Изучение свойств мотонейронов, отвечающих за выпрямление и поднятие животного, выявило различия между доминантами и субординантами в тонической активности этих клеток, в амплитуде вызванных ответов и модулирующем действии серотонина. Серотонин вызывал сильную деполяризацию этих клеток у доминантов и слабую — у субординантов. Только у доминантов под влиянием серотонина наблюдалось усиление возбуждающих постсинаптических потенциалов от сенсорных нейронов на исследуемых мотонейронах [25]. То есть эффект серотонина на принятие позы доминанта сам оказался зависимым от социального опыта животного. Чтобы разрешить этот парадокс было предложено следующее объяснение. В реальности доминантное животное не постоянно находится в высокой позе, стойка принимается при появлении соперника. Сенсорный сигнал о появлении соперника с большой вероятностью активирует серотонинергические клетки А1, которые оказывают непосредственное влияние на мотонейроны принятия позы и другие мишени [56]. Это предположение согласуется с данными о кодировке сигнала присутствия второй особи серотонином у саранчи [21]. Модулирующее влияние социального статуса на реакцию
Яркие результаты и одновременно значительные трудности для интерпретации принесли эксперименты с изучением изменений в избегательном поведении, вызванных установлением социального ранга у ракообразных. На первый взгляд выявленные клеточные механизмы здесь не соответствовали наблюдаемым (ожидаемым) изменениям в поведении. Поведенческая модель демонстрировала влияние социального статуса, а также внешнего социального контекста на реакцию раков Procambarus clarkii при неожиданном прикосновении [88]. Доминанты, как в присутствии субординантов, так и в условиях изоляции, демонстрировали агрессивную и ориентировочную реакцию: принятие высокой стойки («поза доминанта»), поднятие клешней и поворот в сторону раздражителя. Выбор ответа субординантом зависел от наличного социального окружения и недавней социальной истории. В присутствии доминантов всегда наблюдалась реакция ухода, однако в условиях полуизоляциии полной изоляции наблюдалась смесь избегания и ориентировочных поворотов.
Напротив, при изучении гигантских латеральных (LG) нейронов, управляющих наиболее сильной избегательной реакцией рака латеральным отскоком или tail flip, оказалось, что их возбудимость повышена у доминантов и снижена у субординантов. Соответственные различия показаны и в реакции LG нейронов на стимуляцию тактильных сенсорных нейронов у доминантов и субординантов [54].
Но наиболее интересным открытием стала демонстрация зависимости ответа LG нейронов на серотонин от социального статуса [99, 100]. Под влиянием серотонина у доминантов происходило еще большее усиление ответа на сенсорный приток, а у собординантов наблюдался противоположный эффект — подавление ответа на сенсорную стимуляцию. Как и в случае с нейронами, отвечающими за приподнимание и высокую позу, авторы предположили, что одним из механизмов
Различия в эффектах серотонина у доминантов и субординантов на нейронах LG были столь же четкие, сколь и парадоксальные. Хотя выяснение этологического смысла наблюдаемых эффектов не строго обязательно в рамках разбора нейротрансмиттерных механизмов
Возможным ответом на этот вопрос стали эксперименты на совершенно другой группе животных, низших позвоночных, рыбах. Доминанты здесь отличаются не только поведенческим стереотипом, но и более яркой окраской. Последняя является преимуществом во внутривидовых взаимодействиях, включая репродуктивный успех, однако имеет и негативную сторону — доминанты более заметны для потенциальных хищников. На этой модели получены данные, свидетельствующие о наличии компенсаторной защитной реакции у доминантов, а именно более сильной избегательной реакции на крик чайки [67]. Выявленная в этой работе повышенная возбудимость маутнеровских нейронов у доминантов уже не противоречила, а хорошо согласовалась с этологическими наблюдениями и прогнозами. На этой модели показано и влияние серотонина на избегательное поведение и возбудимость этих нейронов. Эффект противоположен наблюдаемому на ракообразных: повышение синтеза серотонина подавляет избегательную реакцию доминантов в поведенческих экспериментах и снижает возбудимость маутнеровских нейронов, а антагонист серотониновых 2А рецепторов кетанзерин вызывает противоположные эффекты.
Исследования на рыбах (преимуществен, но циклидах) механизмов поведения, управ ляемого социальным контекстом, оказались чрезвычайно успешными в демонстрации «связи между генами и поведением». На протяжении последних 30 лет эта тема казалась одной из наиболее перспективных и обещающих. Однако столь же разочаровывающими оказались результаты большинства исследований, в которых не удавалось найти четкие
Cходный с описанным на ракообразных
Выраженным
Интегративным и
«ТРУДИВШИЙСЯ–ОТДЫХАВШИЙ»
Изменение поведенческих ответов животного после полета, энергоемкой моторной активности было показано на модельном нейроэтологическом объекте сверчке Gryllus bimaculatus. Началом серии работ по изучению «феномена полета» стала статья, опубликованная в 2000 году в Nature [47]. В ней было показано, что у проигравших самцов, которые в норме избегают доминантов в течение многих часов после проигрыша, полет вызывает немедленное высвобождение агрессии, провоцирует драки с победителем, более чем в 70% пар приводящие к смене ранга. Затем мы нашли, что и у наивных самцов, доминантов и самок полет существенно смещает выбор поведения в сторону усиления агрессии, кроме того, усиливает половое поведение [9, 10, 32, 90]. Все описанные эффекты полета и у самцов, и у самок оказались сходны с проявлениями доминантности.
Основной предпосылкой для изучения возможной роли октопамина в механизме действия полета на поведение сверчков стала работа, в которой исследовали содержание нейроактивных молекул в гемолимфе G. bimaculatus при семи разных поведенческих состояниях, включая полет [19]. Полет вызывал выраженное изменение состава ге молимфы, наиболее сильный эффект наблюдался в отношении концентрации октопамина, возраставшей многократно после полета. Действительно, совместно с немецкими коллегами мы нашли, что агонист октопаминовых рецепторов, проникающий через гематоэнцефалический барьер, имитирует действие полета на поведенческий выбор у субординантов; а эффект полета на агрессию снижается или снимается полностью при подавлении либо синтеза октопамина, либо блокировании октопаминовых рецепторов [90]. Эти результаты однозначно указывали на роль октопамина в механизме влияния полета на агрессию субординантов, к тому же они стали первым указанием на связь агрессии с уровнем моноаминов у насекомых. Позже роль октопамина в регуляции агрессивного поведения насекомых была подтверждена на других объектах, например муравьях, дрозофиле.
Примечательно, что параллельно с этими исследованиями повышался интерес к эффектам моторной нагрузки на поведение млекопитающих. Известны антидепрессивные эффекты повышенной моторной нагрузки у человека и опосредованность этих эффектов серотонином [81]. Помимо центральных механизмов существует и метаболический путь, обеспечивающий повышение первичного предшественника серотонина триптофана при физических упражнениях: триптофан высвобождается из альбумина при адренергически вызванном липолизе свободных жирных кислот [92]. Данные, полученные на мышах, указывают на непосредственное влияние моторной нагрузки и легкого стресса на экстраклеточное содержание серотонина в мозге за счет ингибирования механизмов обратного захвата [22]. То есть, моторная нагрузка по механизму действия оказалась сходна с действием многих фармакологических антидепрессантов.
ВНЕШНИЙ КОНТЕКСТ
В отличие от контекста внутреннего (часто называемого функциональным или поведенческим состоянием, мотивацией), внешний контекст сложнее для изучения нейробиологических механизмов в силу более высокой динамики происходящих изменений. Неудивительно, что большинство исследований выявляет, главным образом, коррелирующие быстрые изменения: в нейронной активности (в сенсорных и центральных нейронах, реже в нейронах, не связанных с данной сенсорной модальностью), в химической среде мозга при помощи микродиализа и в последнее время – с использованием вольтамперометрии. Однако причинно-следственный характер, как правило, установить не удается.
Исключительно удачной на этом фоне стала работа английских исследователей, в которой удалось доказать необходимость и достаточность повышения уровня всего одной сигнальной молекулы в определенной области нервной системы для имитации действия внешнего контекста [21]. Речь идет о хорошо известном феномене смены одиночной стадии существования на стайную у саранчи. Животные, находящиеся в разных стадиях, отличаются не только поведением, но и размером, цветом, метаболизмом. Запускается весь этот колоссальный каскад изменений – контекст-зависимым изменением поведенческого ответа. Если у одиночной формы саранчи типичным ответом на столкновение с другой особью своего вида является пассивное избегание, то при объединении в стаю ответ меняется на противоположный – притяжение к собрату, следование за ним. Чем за пускается такое изменение ответа? Тем, что в течение определенного времени частота столкновений с соплеменниками оказывается достаточно высокой (достаточно двух часов ссаживания на ограниченную территорию). Более ранняя работа той же группы осуществила дискретную оценку содержания ключевых нейроактивных факторов (ацетил холина, глутамата, ГАМК, серотонина, дофамина, октопамина, тирамина) в мозге, оптических долях и в грудных ганглиях у сформированных и у переходных форм саранчи [79]. Достоверные изменения нейрохимического коктейля наблюдались во всех исследованных областях и отражали поведенческие и физиологические изменения. Выделяющиеся из общей картины пики серотонина в грудных ганглиях, наблюдающиеся у переходных форм, привлекли к более детальному изучению роли именно этого моноамина в формировании стайного поведения.
М. Anstey с соавторами [21] нашли способ количественной оценки стайности поведения. Они показали, что стайное поведение формируется постепенно, при этом оценка ответа на соплеменников по шкале избегание нейтральность–притяжение разной степени выраженности (оценивалось по времени и близости нахождения возле другой особи) является надежной оценкой степени стайности поведения. На первом этапе работы была выявлена корреляция степени стайности поведения с уровнем серотонина в грудных ганглиях. Сенсорные сигналы разной модальности (визуальный, тактильный, ольфакторный) о присутствии собратьев приходят в грудные ганглии саранчи по разным путям: от глаз и антенн через мозг, от задних ног по вентральной цепочке. В работе показано, что независимо от модальности и области тела, от которой эти сигналы приходят, они вызывают повышение серотонина в грудных ганглиях. Антагонисты серотониновых рецепторов блокируют действие сигналов о присутствии других особей своего вида (внешнего контекста) на феномен смены поведенческого ответа и формирование стайной стадии. Сам серотонин, наоборот, способен изменить выбор ответа одиночной саранчи с пассивного избегания наследование, а метаболический предшественник серотонина 5-гидрокситриптофан существенно усиливает и ускоряет принятие поведенческого стереотипа стайности.
Существенный вывод о ненужности поддержания высокого уровня серотонина для сохранения стайного стереотипа поведения уже у сформированной стайной формы саранчи был сделан в последней работе английской группы. Сопоставление уровня серотонина у изолированных и стайных животных, содержавшихся в неизменных условиях на протяжении нескольких поколений, показало, что серотонин не только перестает повышаться у особей хорошо сформированной стайной стадии, но даже оказывается ниже, чем у изолированных животных [71]. При этом морфологические различия продолжают нарастать, например, значительно увеличивается размер мозга у стайных насекомых [71].
Внешний контекст, а именно наличие особей своего вида, оказывает выраженное влияние на выбор самцом характера пения у зебровой амадины [83]. Направленная и ненаправленная песнь амадины различаются по акустическим характеристикам, соответствующему характеру нейронной активности и экспрессии ранних генов в акустическом ядре стриатума (Area X). Любопытно, что при этом ни визуальные, ни акустические сенсорные ограничения не накладывают строгого запрета на продукцию направленного пения [42]. Авторы справедливо обсуждают роль «общего» или внутреннего чувства присутствия партнера. Эти данные подтверждают правильность взглядов Конрада Лоренца и других этологов об эндогенном происхождении поведения, способного при высокой мотивации высвобождаться независимо от сенсорных сигналов. Очевидно, понимание роли сильной и слабой мотивации в выборе песни, привело к проверке идеи о роли дофамина в этом выборе. Предполагалась возможная аналогия с влиянием тонического «мотивирующего» дофамина, поставляемого нейронами вентральной тегментальной области в стриатум у млекопитающих. Действительно, эксперименты с микродиализом в AreaХ in vivo показали существенное повышение содержания экстраклеточного дофамина во время пения и еще большее повышение, характеризующее направленное пение. Экстраклеточный дофамин предположительно выделялся везикулярным путем в ответ на деполяризацию. Ингибиторы обратного захвата снимали различия в содержании дофамина при направленном и ненаправленном пении [83]. Эти корреляционные различия обрели причинно-следственный характер в недавней работе [58]. Было показано, что именно дофамин в AreaX определяет выбор песни.
Свидетельство того, что внешний контекст плотности популяции и даже ее функционального состояния, отражается на химическом составе нервной системы индивидуума, получено на моллюсках. Правда здесь речь идет не о поведении, а о развитии. Было показано, что скорость развития зародышей в кладке исследованных водных гастропод зависит от плотности взрослых особей и от их функционального состояния – степени сытости [96]. Плотная и голодная популяция взрослых вызывала торможение развития зародышей на ранних стадиях и, наоборот, приводила к ускорению развития на самых поздних стадиях, ускоряя вылупление [97]. Аналогичным образом влиял серотонин на скорость развития зародышей на ранних и поздних стадиях, а его антагонисты блокировали действие внешнего контекста. Роль серотониновых нейронов апикального органа исследуется в настоящее время на этой модели.
О том, что сигналы от самца и от самки на определенном этапе обработки в мозге могут кодироваться разной химией, свидетельствуют относительно недавние работы. Генетические манипуляции с октопаминергическими нейронами дрозофилы привели к появлению необычного для этих насекомых феномена гомосексуального ухаживания у самцов [26, 27]. Дальнейшее изучение этого феномена привело к пониманию того, что ключевую роль сыграло нарушение статуса определенной группы октопаминергических нейронов, имеющих обширную распределенную сеть отростков в подглоточных ганглиях. Эта область нервной системы насекомых не связана с ольфакторным распознованием, однако играет ключевую роль в анализе контактной химической информации. Поскольку на других видах насекомых была показана роль именно кутикулярных феромонов в распознавании пола, этот факт представляется вполне адекватным. В настоящий момент обсуждаются два вероятных механизма действия октопаминергических нейронов на выбор поведения: модуляция сенсорной информации, связанной с определением пола, или их участие в химической системе последующих нейронных каскадов, отвечающих за адекватный ответ на сенсорную информацию. Эти работы являются еще одним примером удачного молекулярно-генетического эксперимента, направленного на поиск роли генов в механизмах поведенческого выбора. Эта удача в значительной степени связана с прицельным обращением к химически и морфологически изолированной группе нейронов. О том, что разные сенсорные сигналы кодируются разной химией уже на «входе», свидетельствует давняя работа с пересаживанием антенн у бабочек, опубликованная в 1986 в журнале Nature [85]. Исследователям удалось пересадить и добиться приживления антенн самцов на самках и наоборот. Сенсацией стало не только изменение ориентации полета (на феромоны особей своего пола), но и постепенно развивающаяся маскулинизация у самок и феминизация у самцов [53, 85]. Перспективным выглядит развитие этой работы в плане изучения возможных химических механизмов, лежащих в основе перестроек по ведения и метаболизма, вызванных изменением сенсорных органов.
Исторически любопытна непрямая преемственность исследований «нейрохимической модуляции» 80-х годов и последнего десятилетия. В 80-х гг. действие трансмиттеров на поведение изучалось вопреки существующим представлениям о нервной системе, и трактовки результатов натягивались на существующий теоретический каркас с помощью введения новых терминов, таких как, нейромодуляторы, нейрогормоны, метамодуляторы. В те же годы большие надежды возлагались именно на будущие методические возможности, которые бы позволили найти нейрон и ген, отвечающие за определенное поведение. Методы появились, а надежды, с ними связанные не оправдались. Ни нейрон, ни ген, необходимо и достаточно управляющий каким-либо поведением, найдены не были, от «вынужденного» изучения роли экстраклеточных сигнальных молекул в конце 80-х годов, произошел осознанный возврат к этой теме, обогащенный новыми техническими возможностями, и принес плоды.
В пользу химической гипотезы механизмов поведенческого выбора свидетельствуют некоторые фундаментальные изменения в нейробиологических представлениях, наблюдающиеся в последние годы. К их числу относится ослабление представлений об иерархичной организации нервной системы. Эта тенденция вызвана как многочисленными свидетельствами непосредственного взаимодействия «периферий», так и безуспешными попытками идентифицировать с помощью оптических методов «нейроны, принимающие решение». В последние годы сразу несколько исследователей высказали сходные идеи о «коллективной природе» поведенческого выбора (W. Kristan 2010; R. Gillete 2010; Harris-Warrick 2010, устные сообщения). В том же 2010 году Д.А. Сахаров предложил гипотезу, согласно которой выбор моторной программы ансамблем нейронов определяется химическим составом его экстраклеточной среды, которая, в частности, складывается благодаря активности локальных и входных нейронов. Уже существуют данные, демонстрирующие наличие «физической» основы для такого коллективного химического общения нейронов. На сегодняшний день установлено, что межклеточное пространство занимает 20–30% объема мозга в зависимости от области нервной системы [94]. В последнее десятилетие обнаружены несинаптические рецепторы ко всем известным нейротрансмиттерам, показана утечка нейротрансмиттеров из синаптических щелей, несинаптическая секреция нейротрансмиттеров. Наконец, немалую роль в усилении привлекательности «химического подхода» играет и осознание существующей филогенетической основы для химической самоорганизации нейронов. Демонстрация роли нейронных сигнальных молекул в организации социального поведения бактерий, одноклеточных и ненейронных клеточных культур свидетельствует о выработке простейших механизмов химической клеточной координации и самоорганизации уже надонервных стадиях [2, 3].
Выражаю благодарность Д.А. Сахарову, чья замечательная идея о механизме принятия решения нейронным ансамблем вдохновила на написание этого обзора. А также благодарю П.М. Балабана, Т.Л. Дьяконову и двух анонимных рецензентов за ценные критические замечания.
Поддержано Российским Фондом Фунда ментальных Исследований, грант 11-04-00674.
- Балабан П.М., Захаров
И. С. Обучение и развитие: общая основа двух явлений. М. Наука, 1992. 151 с. -
Бродский
В. Я. Прямые межклеточные взаимодействия и «социальное» поведение клеток млекопитающих, протистов и бактерий. Возможные причины многоклеточности. Онтогенез. 2009. 40: 97–111. -
Бузников
Г. А. Донервные трансмиттеры как регуляторы эмбриогенеза. Современное состояние проблемы. Онтогенез. 2007. 38(4): 262–270. -
Дьяконова
В. Е. Поведенческие эффекты октопамина и серотонина: некоторые парадоксы сравнительной физиологии. Успехи физиол. наук. 2007. 38(3): 3–20. -
Дьяконова
В. Е. Контекст -зависимый выбор поведения: нейротрансмиттерные механизмы. Дисс. докт. биол. наук. 2011. М. ИБР РАН. -
Дьяконова В.Е., Сахаров
Д. А. Участие эндогенной опиоидной системы в регуляции пищевого и защитного поведения моллюска. Журн. высш. нерв. деят. 1994. 44: 316–322. -
Дьяконова В.Е., Сахаров
Д. А. Нейротрансмиттерная основа поведения моллюска: управление выбором между ориентировочным и оборонительным ответом на предъявление незнакомого объекта. Журн. высш. нерв. деят. 1994. 44: 526–531. -
Дьяконова В.Е., Сахаров
Д. А. Изолированный серотониновый нейрон: уровень синтеза нейротрансмиттера влияет на импульсацию. ДАН. 2001. 376(2): 267–270. -
Дьяконова В.Е., Крушинский
А. Л. Усиление полового поведения и агрессивности у сверчков после полета. ДАН. 2003. 390 (5): 709–712. -
Дьяконова В.Е., Крушинский
А. Л. Влияние ингибитораNO-синтазы на агрессивное и половое поведение сверчка. Росс. физиол. журн. им И.М. 2005. 91(6): 616–624. -
Максимова О.А., Балабан
П. М. Нейронные механизмы пластичности поведения. М.: Наука, 1983. 126 с. -
Павлова
Г. А. Влияние серотонина на локомоцию пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis. Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 1997. 33(6): 599–606. -
Сахаров Д.А., Каботянский
Е. А. Интеграция поведения крылоногого моллюска дофамином и серотонином. Журн. общей. биологии. 1986. 47: 234–245. -
Сахаров
Д. А. Интегративная функция серотонина у примитивных Metazoa. Журн. общей биологии. 1990. 51: 437–449. -
Caxapoв
Д. A. Mнoжecтвeннocть нeйpoтpaнcмиттepoв: фyнкциoнaльнoe знaчeниe. Журн. эвoлюц. Биoxимии и физиoлогии. 1990. 26(5): 733–741. -
Сахаров
Д. А. Механизмы внесения упорядоченности в выходную активность нейронных ансамблей. Сб. «Актуальные вопросы нейробиологии, нейроинформатики и когнитивных исследований». 2010. М. НИЯУ МИФИ. 7–28. -
Цыганов, В.В., Сахаров
Д. А. Серотонин -зависимое переподчинение респираторного ритма центральному генератору локомоции у легочного моллюска Lymnaea. ДАН. 2002. 382(4): 554–556. -
Чистопольский И.А., Сахаров
Д. А. Активация серотонинергических нейронов метаболическим предшественником серотонина: эффект ингибитора триптофандекарбоксилазы. ДАН. 2000. 372: 129–131. -
Adamo S.A., Linn C.E., Hoy
R. R. The role of neurohormonal octopamine during 'fight or flight' behaviour in the field cricket Gryllus bimaculatus. J. Exp. Biol. 1995. 198: 1691–1700. -
Alania M., Dyakonova
v. , SakharovD. A. Hyperpolarization by glucose of feeding related neurons in snail. Acta Biol. Hung. 2004. 55: 195–200. -
Anstey M.L., Rogers S.M., Ott S.R., Burrows M., Simpson
S. J. Serotonin mediates behavioral gregarization underlying swarm formation in desert locusts. Science. 2009. 323 (5914): 627–630. -
Baganz N., Horton R., Martin K., Holmes A., Daws
L. C. Repeated swim impairs serotonin cleaarance via acorticosterone-sensitive mechanism: organic cation transporter 3, thes smoking gun. J. Neurosci. 2010. 30: 15185–15195. - Ben Arous J., Laffont S., Chatenay D. Molecular and sensory basis of a food related twostate behavior in C. elegans. PLoS One. 2009. 4(10):e7584.
-
Briggman K. L, Kristan
W. B. Jr . Imaging dedicated and multifunctional neural circuits generating distinct behaviors. J. Neurosci. 2006. 26(42): 1092533. -
Cattaert D., Delbecque J.P., Edwards D.H., Issa
F. A. Social interactions determine postural network sensitivity to 5HT. J. Neurosci . 2010. 30(16): 5603–5616. -
Certel S.J., Leung A., Lin C.Y., Perez P., Chiang A.S., Kravitz
E. A. Octopamine neuromodulatory effects on a social behaviordecision-making network in Drosophila males. PLoS One. 2010. 5(10): e13248. -
Certel S.J., Savella M.G., Schlegel D.C., Kravitz
E. A. Modulation of Drosophila male behavioral choice. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2007. 104 (11): 4706–4711. -
Chistopolsky I.A., Sakharov
D. A. Nonsynaptic integration of neuron somata in the snail CNS. Neurosci. Behav. Physiol. 2003. 33: 295–300. -
Davis W.J., Mpitsos G.J., Siegler M.
v. S., Pinneo J.M., DavisK. B. Neuronal substrates of behavioral hierarchies and associative learning in pleurobranchaea. Amer. Zool. 1974. 14: 1037–1050. -
Dominey P.F., Boussaoud D. Encoding behavioral context in recurrent networks of the
fronto-striatal system: a simulation study. Brain Res. Cogn. Brain. Res. 1997. 6: 53–65. -
Dyakonova
v. E., Chistopolsky I.A., Dyakonova T.L., Vorontsov D.D., SakharovD. A. Direct anddecarboxylation-dependent effects of neurotransmitter precursors on firing of isolated monoaminergic neurons. J. Comp. Physiol. A. 2009. 195(6): 515–527. -
Dyakonova
v. E., KrushinskyA. L. Previous motor experience enhances courtship behavior in male cricket Gryllus bimaculatus. J. Insect. Behavior. 2008. 21. 172–180. -
Dyakonova
v. E., Sakharov D.A., Schuermann F.-W. Effects of serotonergic and opioidergic drugs on escape behavior and social status of male crickets. Naturwissenschaften. 1999. 86: 435–437. -
Edwards D.H., Kravitz
E. A. Serotonin , social status and aggression. Curr. Opin. Neurobiol. 1997. 6: 812–829. Review. -
Edwards D.H., Yeh S.R., Musolf B.E., Antonsen B.L., Krasne.
F. B. Metamodulation of the crayfish escape circuit. Brain Behav. Evol. 2002. 60(6): 360–669. -
Friesen W.O., Kristan
W. B. Leech locomotion: swimming, crawling, and decisions. Curr. Opin. Neurobiol. 2007. 17(6): 704–711. Review. -
Gaudry Q., Kristan
W. B. Jr . Behavioral choice by presynaptic inhibition of tactile sensory terminals. Nat. Neurosci. 2009. 12(11): 1450–1457. -
Gaudry Q., Ruiz N., Huang T., Kristan W.B. 3rd, Kristan
W. B. Jr . Behavioral choice across leech species: chacun à son goût. J. Exp. Biol. 2010. 213: 1356–1365. -
Glanzman D.L., Krasne
F. B. Serotonin and octopamine have opposite modulatory effects on the crayfish’s lateral giant escape reaction. J. Neurosci. 1983. 11: 2263–2269. -
Glanzman D.L,. Krasne F.B. 5,
7-Dihydroxytryptamine lesions of crayfishserotonin-containing neurons: effect on the lateral giant escape reaction. J. Neurosci. 1986. 6: 1560–1569. -
Goldstein R.S., Camhi
J. M. Different effects of the biogenic amines dopamine, serotonin and octopamine on the thoracic and abdominal portions of the escape circuit in the cockroach. J. Comp. Physiol. A. 1991. 168: 103–112. -
Hara E., Kubikova L., Hessler N.A., Jarvis
E. D. Assessing visual requirements for socialcontex-tdependent activation of the songbird song system. Proc. Biol. Sci. 2009. 276(1655): 279–289. -
Hasselmo M.E., Eichenbaum H. Hippocampal mechanisms for the
context-dependent retrieval of episodes. Neural Netw. 2005. 9: 1172–1190. -
Hatcher N.G., Zhang X., Stuart J.N., Moroz L.L., Sweedler J.V.
, Gillette R.-HT and5-HT-SO4 , but not tryptophan or 5HIAA levels in single feeding neurons track animal hunger state. J. Neurochem. 2008. 104(5): 1358–1363. -
Herberholz J., McCurdy C., Edwards
D. H. Direct benefits of social dominance in juvenile crayfish. Biol. Bull. 2007. 213(1): 21–27. -
Hernádi L., Hiripi L., Dyakonova
v. , Györi J., Vehovszky B. The effect of food intake on the central monoaminergic system in the snail, Lymnaea stagnalis. Acta Biol. Hung. 2004. 55(1–4): 185–194. -
Hofmann H.A., Stevenson
P. A. Flight restores fight in crickets. Nature. 2000. 403:613. -
Horvitz H.R., Chalfie M., Trent C., Sulston J.E., Evans
P. D. Serotonin and octopamine in the nematode Caenorhabditis elegans. Science. 1982. 216: 1012–1014. -
Huber R., Orzeszyna M., Pokorny N., Kravitz
E. A. Biogenic amines and aggression: experimental approaches in crustaceans. Brain Behav. Evol. 1997. 50. Suppl. 1: 60–68. Review. -
Huber R., Smith K., Delago A., Isaksson K. Kravitz
E. A. Serotonin and aggressive motivation in crustaceans: altering the decision to retreat. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 1997. 94(11): 5939–5942. -
Humphries M.D., Gurney K., Prescott
T. J. Is there a brainstem substrate for action selection?. Philos. Trans. R. Soc. B. 2007. 362: 1627–1639. - Kabotyanski E.A., Winlow W., Sakharov D.A., Bauce L., Lukowiak K. Soc. Neurosci. Abstr. 1992. 18: 531.
-
Kalberer N.M., Reisenman C.E., Hildebrand
J. G. Male moths bearing transplanted female antennae express characteristically female behaviour and central neural activity. J. Exp Biol. 2010. 213: 1272–1280. - Krasne F.B., Shamsian A., Kulkarni R. Altered excitability of the crayfish lateral giant escape reflex during agonistic encounters. J. Neurosci. 1997. 17(2): 709–716.
- Kravitz
E. A. Hormonal control of behavior: amines and the biasing of behavioral output in lobsters. Science. 1988. 241(4874): 1775–1781. Review. -
Kravitz
E. A. Serotonin and aggression: insights gained from a lobster model system and speculations on the role of amine neurons in a complex behavior. J. Comp. Physiol. A. 2000. 186(3): 221–238. Review. -
Kravitz E.A., Glusman S., Harris-Warrick R.M., Livingstone M.S., Schwarz T., Goy
M. F. Amines and a peptide as neurohormones in lobsters: actions on neuromuscular preparations and preliminary behavioural studies. J. Exp. Biol. 1980. 89: 159–175. -
Leblois A., Wendel B.J., Perkel
D. J. Striatal dopamine modulates basal ganglia output and regulates socialcontext-dependent behavioral variability through D1 receptors. J. Neurosci. 2010. 30(16): 5730–5743. -
Lent C.M., Dickinson
M. H. The neurobiology of feeding in leeches. Sci. Am. 1988. 258(6): 98–103. Review. - Liden W.H., Herberholz J. Behavioral and neural responses of juvenile crayfish to moving shadows. J. Exp. Biol. 2008. 211: 1355–61.
- Liden W.H., Phillips M.L., Herberholz J. Neural control of behavioural choice in juvenile crayfish. J. Proc. Biol. Sci. 2010. 277(1699): 3493–500.
-
Livingstone M.S.,
Harris-Warrick R.M., KravitzE. A. Serotonin and octopamine produce opposite postures in lobsters. Science. 1980. 208(443): 76–79. -
Luedtke S., O’Connor
v. , Holden-Dye L., WalkerR. J. The regulation of feeding and metabolism in response to food deprivation in Caenorhabditis elegans. Invert. Neurosci. 2010. 10(2): 63–76. -
Mesce
K. A. Metamodulation of the biogenic amines:second-order modulation by steroid hormones and amine cocktails. Brain. Behav. Evol. 2002. 60(6): 339–349. -
Murakami S., Itoh
M. T. Effects of aggression and wing removal on brain serotonin levels in male crickets, Gryllus bimaculatus. J. Insect. Physiol. 2001. 47(11): 1309–1312. -
Murakami S., Itoh
M. T. Removal of both antennae influences the courtship and aggressive behaviors in male crickets. J. Neurobiol. 2003. 57(1): 110–118. -
Neumeister H., Whitaker K.W., Hofmann H.A., Preuss T. Social and ecological regulation of a
decision-making circuit. J. Neurophysiol. 2010. 104(6): 3180–3188. -
Oldfield R.G., Hofmann
H. A. Neuropeptide regulation of social behavior in a monogamous cichlid fish. Physiol. Behav. 2011. 102(3–4): 296–303. -
Oliveira R.F., Silva A., Canário A.V
. Why do winners keep winning? Androgen mediation of winner but not loser effects in cichlid fish. Proc. Biol. Sci. 2009. 276(1665): 2249–56. -
Ostlund S.B., Wassum K.M., Murphy N.P., Balleine B.W., Maidment
N. T. Extracellular dopamine levels in striatal subregions track shifts in motivation and response cost during instrumental conditioning. J. Neurosci. 2011. 31: 200–207. -
Ott
S. R. Rogers S. M. Gregarious desert locusts have substantially larger brains with altered proportions compared with the solitarious phase. Proc. Biol. Sci. 2010. 277 (1697): 3087–3096. -
Perrone R., Batista G., Lorenzo D., Macadar O., Silva A. Vasotocin actions on electric behavior: interspecific, seasonal, and social
context-dependent differences. Front. Behav. Neurosci. 2010. 4. pii: 52. -
Pueger H.-J., Stevenson
P. A. Evolutionary aspects of octopaminergic systems with emphasis on arthropods. Arthropod Structure & Development. 2005. 34: 379–396. -
Puhl J.G., Mesce
K. A. Dopamine activates the motor pattern for crawling in the medicinal leech. J. Neurosci. 2008. 28(16): 4192–4200. - Quintana L., Pouso P., Fabbiani G., Macadar O. A central pacemaker that underlies the production of seasonal and sexually dimorphic social signals: anatomical and electrophysiological aspects. J. Comp. Physiol. A. 2011. 197(1): 75–88.
-
Ranganathan R., Cannon S.C., Horvitz
H. R. MOD -1 is aserotonin-gated chloride channel that modulates locomotory behaviour in C. elegans. Nature. 2000. 408(6811): 470–475. -
Renn S.C.,
Aubin-Horth N., HofmannH. A. Fish and chips: functional genomics of social plasticity in an African cichlid fish. J. Exp. Biol. 2008. 211: 3041–56. -
Rillich J., Schildberger K., Stevenson
P. A. Octopamine and occupancy: an aminergic mechanism forintruder-resident aggression in crickets. Proc. Biol. Sci. 2011. 278(1713): 1873–1880. - Rogers S.M., Matheson T., Sasaki K., Kendrick K., Simpson S.J., Burrows M. Substantial changes in central nervous system neurotransmitters and neuromodulators accompany phase change in the locust. J. Exp. Biol. 2004. 207: 3603–3617.
-
Sakharov
D. A. Integrative function of serotonin common to distantly related invertebrate animals. The Early Brain. Eds. M. Gustaffson, M. Reuter. Abo, Abo Akademi Press. 1990: 73–88. - Salmon P. Effects of physical exercise on anxiety, depression, and sensitivity to stress: a unifying theory. Clin. Psychol. Rev. 2001. 21: 33–61.
-
Sarter M., Parikh V
., HoweW. M. Phasic acetylcholine release and the volume transmission hypothesis: time to move on. Nat. Rev. Neurosci. 2009. 10(5): 383–390. -
Sasaki A., Sotnikova T.D., Gainetdinov R.R., Jarvis
E. D. Social context-dependent singing-regulated dopamine. J. Neurosci. 2006. 26(35): 9010–9014. - Sawin E.R., Ranganathan R., Horvitz H.R. C. elegans locomotory rate is modulated by the environment through a dopaminergic pathway and by experience through a serotonergic pathway. Neuron. 2000. 26(3): 619–631.
-
Schneiderman A.M., Hildebrand J.G., Brennan M.M., Tumlinson
J. H. Trans -sexually grafted antennae alterpheromone-directed behaviour in a moth. Nature. 1986. 323(6091): 801–803. -
Sneddon L.U., Taylor A.C., Huntingford F.A., Watson
D. G. Agonistic behaviour and biogenic amines in shore crabs Carcinus maenas. J. Exp. Biol. 2000. 203: 537–544. - Song B., Avery L. Serotonin activates overall feeding by activating two separate neural pathways in Caenorhabditis elegans. J. Neurosci. 2012. 32(6): 1920–1931.
-
Song C.K., Herberholz J., Edwards
D. H. The effects of social experience on the behavioral response to unexpected touch in crayfish. J. Exp. Biol. 2006. 209: 1355–1363. -
Staras K., Kemenes I., Benjamin PR., Kemenes G. Loss of
self-inhibition is a cellular mechanism for episodic rhythmic behavior. Curr. Biol. 2003. 13(2): 116–124. -
Stevenson P.A., Dyakonova
v. E., Rillich J., Schildberger K. Octopamine andexperience-dependent modulation of aggression in crickets. J. Neurosci. 2005. 25(6): 1431–1441. - Stevenson P.A., Hofmann H.A., Schoch K., Schildberger K. The fight and flight responses of crickets depleted of biogenic amines. J. Neurobiol. 2000. 43: 107–120.
- Struder H.K., Weicker H. Physiology and pathophysiology of the serotonergic system and its implications on mental and physical performance. Int. J. Sports. Med. 2001. 7: 482–497.
- Suo S., Kimura Y., Van Tol
H. H. Starvation induces cAMP responseelement-binding protein-dependent gene expression through octopamineGq sig naling in Caenorhabditis elegans. J. Neurosci. 2006. 26(40): 10082–10090. - Syková E, Nicholson C. Diffusion in brain extracellular space. Physiol. Rev. 2008. 88(4): 1277–1340.
-
Trainor B.C., Hofmann
H. A. Somatostatin regulates aggressive behavior in an African cichlid fish. Endocrinology. 2006. 147(11): 5119–5125. -
Voronezhskaya E.E., Khabarova M.Yu., Nezlin
L. P. Apical sensory neurones mediate developmental retardation induced by conspecific environmental stimuli in freshwater pulmonate snails. Development. 2004. 131: 3671–3680. -
Voronezhskaya E.E., Glebov K.I., Khabarova M.Y., Ponimaskin E.G., Nezlin
L. P. Adult -to-embryo chemical signaling in the regulation of larval development in trochophore animals: cellular and molecular mechanisms. Acta Biol. Hung. 2008. 59. Suppl: 117–122. - Yafremava L.S., Anthony C.W., Lane L., Campbell J.K., Gillette R. Orienting and avoidance turning are precisely computed by the predatory seaslug Pleurobranchaea californica McFarland. J. Exp. Biol. 2007. 210: 561–569.
-
Yeh S.-R., Fricke R.A., Edwards
D. H. The effect of social experience on serotonergic modulation of the escape circuit of crayfish. Science. 1996. 271: 366–369. -
Yeh S.-R., Musolf B.E., Edwards
D. H. Neuronal adaptations to changes in the dominance status of crayfish. J. Neurosci. 1997. 17: 697–708.