Биохимические и генетические методы исследования мозга с поведением

До этого момента мы уделяли основное внимание тому, как нейробиологи изучают активность отдельных нейронов и их скоплений, а также связь между нейронной активностью и поведением. Нейронами управляют гены — фрагменты ДНК, кодирующие синтез определенных белков клетки.

Гены контролируют выработку клеткой химических веществ - это значит, что поведение можно связать с генами и присутствующими в клетке и за ее пределами химическими веществами.

Химический и генетический подходы требуют применения сложных технологий — за последние два десятилетия было разработано множество таких методов.

а) Измерение биохимических показателей. Мозг содержит множество различных химических веществ, от нейромедиаторов и гормонов до глюкозы и газов. Патологические изменения концентрации таких веществ могут стать причиной серьезных нарушений поведения. Яркие примеры — болезнь Паркинсона, при которой наблюдается низкий уровень дофамина в черной субстанции, и депрессия, при которой наблюдается низкий уровень выработки серотонина и/или норадреналина.

Простейший способ измерения биохимических показателей при указанных заболеваниях состоит в том, чтобы извлечь пораженные ткани при посмертных исследованиях пациентов или лабораторных животных и определить концентрацию определенных веществ традиционными биохимическими методами, например методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Флуктуации концентраций химических веществ в мозге могут быть связаны не только с поведенческими расстройствами, но и с нормальным поведением. Например, исследования последних 35 лет показали, что уровень дофамина в прилежащем ядре (структура базальных ядер) меняется в ответ на стимулы, связанные с системой вознаграждения, например, пищу и секс.

Для измерения изменений концентрации химических веществ в мозге свободно двигающегося животного предназначены два метода — церебральный микродиализ и вольтамперометрия.

Микродиализ, позволяющий определить химический состав внеклеточной жидкости, широко используют в лабораторных исследованиях. За последние 15 лет накоплен опыт клинического применения микродиализа. Катетер с полупроницаемой мембраной на кончике устанавливают в мозговую ткань (рис. 1). Жидкость течет через канюлю и идет вдоль клеточной мембраны. Благодаря диффузии молекулы внеклеточной жидкости проникают через мембрану по градиенту концентрации.

Рисунок 1. Микродиализ.

Жидкость, содержащая присутствующие в мозге молекулы, выходит через трубку, что позволяет отобрать образец для анализа. Образцы жидкости отбирают через равные временные интервалы, чтобы иметь возможность проследить связь между биохимическими показателями мозга и поведением. Например, в ситуации ожидания крысой секса или любимой еды микродиализ зафиксирует повышение уровня дофамина в таких областях базальных ядер, как хвостатое ядро и скорлупа, образующих полосатое тело.

В некоторых клиниках микродиализ применяют для мониторинга биохимических показателей поврежденного мозга. При черепно-мозговых травмах и инсульте возможны такие осложнения, как резкое повышение уровня нейромедиатора глутамата. Такие биохимические изменения могут привести к необратимому повреждению клеток и летальному исходу. Медики применяют микродиализ для мониторинга указанных изменений, позволяющего скорректировать состояние пациента.

В основе вольтамперметрии (вольтамперометрического анализа) лежит другой принцип. Маленький электрод из углеродного волокна и металлический электрод имплантируют в мозг, на металлический электрод подают слабый электрический ток. Электрический ток заставляет присутствующие в мозге химические соединения принимать и отдавать электроны. Метод позволяет измерить возникающие изменения концентрации специфических нейромедиаторов во внеклеточной жидкости.

Поскольку разные величины тока приводят к изменению концентрации разных соединений, метод позволяет определить уровень различных нейромедиаторов, в том числе серотонина, дофамина и других химических веществ. Преимущество вольтамперометрического анализа перед микродиализом состоит в отсутствии необходимости анализировать отобранную из мозга жидкость. Недостатком метода является его инвазивность.

Это значит, что биохимический анализ предполагает превращение одного химического вещества в другое, что ограничивает применение метода в экспериментах на животных. Например, Уилер и его коллеги, использовали вольтамперометрию, чтобы показать повышение уровня дофамина вследствие воздействия гормона стресса кортикостерона, а также определить длительность периода повышения уровня дофамина в прилежащем ядре (Wheeler et al., 2017).

Результаты этого исследования очень важны, так как они доказывают способность стресса усиливать действие подкрепления.

б) Исследование генетических аспектов мозговой деятельности и поведения. Большую часть форм поведения человека нельзя объяснить лишь наследственностью, однако варианты последовательностей генома вносят свой вклад в организацию мозга. Примерно в одном случае на 250 живорождений рождаются однояйцевые близнецы — люди с идентичными геномами.

Однояйцевые близнецы часто имеют одни и те же особенности поведения. Близнецовые исследования выявили высокую конкордантность в отношении зависимости от психоактивных веществ и других психических заболеваний, подтверждающую их генетическую природу. Однако близнецовые исследования также показали, что факторы внешней среды и жизненный опыт тоже вносят свой вклад в развитие заболеваний: конкордантность по большинству поведенческих расстройств, в том числе по шизофрении, оказалась ниже 100%.

Жизненный опыт является причиной эпигенетических изменений, вызывающих изменение экспрессии генов.

Генетические факторы также можно исследовать путем сравнения усыновленных и удочеренных в раннем возрасте людей, не состоящих в генетическом родстве с приемными родителями. В таких исследованиях высокий уровень конкордантности по поведенческим признакам говорит о сильном влиянии факторов внешней среды на поведение.

В идеале, у исследователя должна быть возможность обследовать как приемных, так и биологических родителей, чтобы сделать вывод о наследовании поведенческих признаков.

Благодаря появлению сравнительно недорогих методов идентификации специфических генов человека ученые имеют возможность проследить связь между аллелями (различными вариантами) специфических генов и поведением. В качестве примера можно привести ген, отвечающий за выработку вещества, называемого нейротрофическим фактором головного мозга (НФГМ).

НФГМ играет важную роль в стимуляции нейропластичности, а снижение уровня НФГМ наблюдается при таких аффективных расстройствах, как депрессия. У этого гена есть два аллеля — BDNF Val 66Met и BDNF Val 66Val.

Джошуа Бюллер и его коллеги (Joshua Bueller, 2006) установили, что у здоровых испытуемых аллель Met связан с уменьшением объема гиппокампа на 11%. Другие исследования продемонстрировали связь аллеля Met с плохой памятью на события (эпизодическая память) и высокой вероятностью деменции в пожилом возрасте. Однако аллель Val оказался ничуть не лучше — носители варианта Val имеют лучшую эпизодическую память, однако у них выше вероятность неврозов и тревожных расстройств.

Два аллеля обеспечивают формирование разных фенотипов, так как они по-разному влияют на структуру и функции мозга. Другие гены, исследование которых не проводилось, могли внести свой вклад в наблюдаемые у участников исследования Бюллера различия. Другой пример имеющего наследственный характер распространенного заболевания приведен в разд. «Исследование: Синдром дефицита внимания и гиперактивности».

в) Исследование: Синдром дефицита внимания и гиперактивности. Синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) вместе с синдромом дефицита внимания (СДВ) являются самыми распространенными заболеваниями мозга у детей — их распространенность у детей школьного возраста составляет 4-10%. Несмотря на то что заболевание часто остается незамеченным, примерно у 50% детей с СДВГ симптомы сохраняются и во взрослом возрасте — поведение таких взрослых приводит к разрушению семей, злоупотреблению психоактивными веществами и автомобильным авариям.

Считается, что в основе СДВГ и СДВ лежит дисфункция норадренергической или дофаминергической системы, прежде всего в передних отделах базальных ядер. Повышающие уровень норадреналина и дофамина в мозге психомоторные стимуляторы, такие как Ritaline (метиофенидат) и Adderall (декстроамфетамин), широко используются для лечения СДВГ. Примерно у 70% детей прием препаратов приводит к ослаблению симптомов дефицита внимания и гиперактивности, однако данных о способности препаратов влиять на успеваемость недостаточно.

Это очень важный вопрос, поскольку 40% детей с СДВГ не могут получить школьный аттестат, даже при условии обучения в коррекционной школе.

Стефан Фараоне и его коллеги (Stephen Faraone; Lecendreux et al., 2015) бросили вызов распространенному мнению о том, что СДВГ — это культурный феномен, отражающий терпимость родителей и учителей к поведению детей. Исследователи установили, что применение одинаковых критериев оценки позволяет сделать вывод о примерно одинаковой распространенности СДВГ в разных странах мира. Однако о распространенности заболевания в развивающихся странах известно мало.

Вполне возможно, что на самом деле распространенность заболевания в развивающихся странах выше — особенно с учетом меньшей структурированности образовательной среды по сравнению с развитыми странами.

Причины СДВГ неизвестны; по-видимому, заболевание связано с дофаминовыми рецепторами переднего мозга. Наиболее вероятно, что в развитии заболевания участвуют лобная доля и базальные ядра. Появляется все больше данных об уменьшении объема указанных областей мозга у пациентов с СДВГ, а также данных о повышении уровня белка-транспортера дофамина. Повышенный уровень транспортера дофамина говорит об ускорении обратного захвата дофамина пресинаптическим нейроном по сравнению с обратным захватом дофамина в мозге людей без СДВГ. В результате наблюдается снижение относительной концентрации дофамина в синаптической щели. Препарат Ritaline блокирует обратный захват дофамина.

Считается, что СДВГ является наследственным заболеванием. Об этом свидетельствуют результаты близнецовых исследований, демонстрирующие конкордантность около 75% у однояйцевых близнецов. Молекулярно-генетические исследования позволили идентифицировать не менее семи генов-кандидатов — некоторые из них связаны с дофаминовым синапсом (в частности, с геном рецептора D₄).

г) Эпигенетика: измерение экспрессии генов. Генотип человека существует в контексте факторов внешней среды, влияющих на экспрессию генов, то есть на их активность или неактивность. Хотя эпигенетические факторы не меняют последовательность ДНК, экспрессия генов может значительно меняться под воздействием факторов среды и пережитого опыта. Эпигенетические изменения могут сохраняться в течение всей жизни и даже передаваться следующим поколениям.

К изменению экспрессии генов может привести самый разный опыт, в том числе хронический стресс, травматические события, воздействие препаратов, культура и болезнь. Исследование Марио Фрага и его коллег (Mario Fraga, 2005) продемонстрировало воздействие пережитого опыта на гены. Ученые исследовали эпигенетические паттерны у 40 пар однояйцевых близнецов, измерив уровень двух молекулярных маркеров экспрессии гена.

У близнецов в детском возрасте паттерны экспрессии генов были практически идентичными, однако у 50-летних близнецов различия были такими сильными, как если бы они были не близнецами, а просто молодыми сиблингами! Причины таких различий неизвестны; ученые предполагают, что различия могут быть связаны с особенностями образа жизни, такими как курение и занятие спортом, рацион, стресс, прием препаратов, образование и социальные факторы (брак и воспитание детей). Менее чем 100%-ю конкордантность по ряду заболеваний у однояйцевых близнецов можно объяснить эпигенетическим дрейфом.

Роль эпигенетических различий также можно проследить на примере различных популяций. Например, Моше Сзиф, Майкл Мини и их коллеги (Moshe Szyf, Michael Meaney; см. Szyf et al., 2008) показали, что внимание, которое крысы-матери уделяют своим новорожденным детенышам, изменяет экспрессию определенных генов в гиппокампе взрослых животных. Эти гены связаны с реакцией выросших детенышей на стресс. (Материнское внимание измеряют как количество и тип контактов матери с новорожденным детенышем; различия во времени, уделенном потомству, между внимательными и невнимательными матерями могут достигать 6 ч в день.)

Той же группой ученых (McGowan et al., 2009) было проведено исследование эпигенетических различий тканей гиппокампа в двух группах людей: 1) покончивших с собой и переживших насилие в детстве и 2) покончивших с собой, но не переживавших насилия в детстве, или умерших от других причин (контрольная группа). Эпигенетические изменения, обнаруженные у покончивших с собой и переживавших насилия в детстве людей, напоминали изменения, обнаруженные у детенышей невнимательных матерей. Это говорит о том, что ранний негативный опыт может изменять организацию и функцию гиппокампа посредством изменения экспрессии генов.

Связанные с пережитым опытом изменения экспрессии генов, по-видимому, присутствуют не только в гиппокампе, но и в остальном мозге. Например, Ришель Михасюк и ее коллеги (Richelie Mychasiuk, 2011) обнаружили, что стресс у беременных крыс приводил к значительным изменениям экспрессии генов у их потомства как в коре лобных долей, так и в гиппокампе. Однако ученые не нашли совпадений в изменениях экспрессии генов — одни и те же переживания изменяли разные отделы мозга по-разному.

Исследования эпигенетических механизмов обещают произвести революцию в исследовании роли взаимодействия между генами и мозгом в развитии нормального мозга и производимых им функций. В будущем они помогут ученым в создании новых способов лечения неврологических заболеваний. Например, специфические эпигенетические изменения могут быть связаны со способностью мозга к восстановлению функций после инсульта.

д) Вопросы для самоконтроля и закрепления изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Концентрации различных химических веществ в мозге можно измерить в полученной при посмертном исследовании ткани пациентов с помощью или in vivo, используя _______, _______ или _______ .
2. В человеческой популяции взаимодействие между генами и факторами среды можно исследовать путем сравнения _______ поведенческих признаков у однояйцевых близнецов и приемных детей.
3. Исследования генов и поведения предполагают изучение индивидуальных различий _______ , в то время как эпигенетические исследования предполагают изучение различий _______ .
4. Расскажите о том, как эпигенетические исследования привели к пониманию способности пережитого опыта и факторов внешней среды изменять функцию мозга.

е) Ответы на вопросы:
1. Биохимических методов; в любом порядке: микродиализ, вольтамперометрию.
2. Показателей конкордантности.
3. ДНК; экспрессии генов.
4. Эпигенетические исследования показали, что экспрессия генов может значительно меняться под воздействием факторов среды и пережитого опыта, что, в свою очередь, приводит к изменениям организации и функций нейронных структур (например, гиппокампа) и, следовательно, к изменениям в поведении.

- Читать далее "Сравнение применяемых в нейробиологии методов исследования"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.8.2023