Нейрогенезом можно управлять

Ученые из Технологического университета Джорджии (Georgia Institute of Technology) заставили нервную систему эмбриона развиваться по непривычному шаблону. В итоге у рыбы образовался мозг, характерный для ее видового сородича. Исследование проведено на животных, которые по эволюционным меркам произошли от общего предка совсем недавно -- 500 тысяч лет назад. Благодаря своей «молодости» эти виды сохраняют генетическую однородность, но имеют различное анатомическое строение.

Мозг по потребностям

В процессе эволюции мозг развивался только у тех живых организмов, которым он нужен для передвижения, поиска пищи, обороны. Те, кому центральная нервная система не нужна, довольствуются диффузной -- отдельными клетками, разбросанными по всему организму.

Так, у растений не появилась нервная система просто потому, что в ней нет необходимости. Отдельные клетки, реагирующие на химические, физические и электромагнитные раздражители, разбросаны по всему организму. Поэтому растения все-таки реагируют на изменение условий, но скорость растительных «рефлексов» на порядок ниже, чем у малоподвижных животных такого же размера. У растений нет необходимости быстро реагировать на внешние сигналы. Они получают минеральные вещества из почвы, а органические синтезируют самостоятельно. В холодные периоды года растения сводят к минимуму потребности в энергии и «засыпают».

У некоторых животных тоже нет центральной нервной системы. Так, у паразитических червей в процессе эволюции она появилась, но после исчезла. Упрощение нервной системы стало следствием образа жизни. В условиях, когда животному тепло, уютно и сытно – например, в печени хозяина, ему нет необходимости над чем-то «задумываться» и что-то «делать». Благоприятные условия существования в эволюционной перспективе ведут к утрате слишком энергоемкого органа -- мозга.

Головной мозг сильно отличается в зависимости от того, кому он принадлежит. В соответствии с «принадлежностью» мозг может сильно изменяться по форме, размеру, степени развитости тех или иных частей. Но это не означает, что, например, мозги рыбы и человека имеют кардинальные различия в структуре и функциях. Они схожи между собой ровно настолько, насколько похожи, например, мобильные телефоны разных производителей и моделей. То есть принципы работы и функции одинаковы; основные отличия – в дизайне и функциональном наполнении модели.

Нейрогенез -- сборка мозга

Нервная система начинает развиваться еще в эмбриональном периоде. На плодном этапе, когда у эмбриона уже сформированы зачатки всех органов, нервная система «дозревает». В этот период мозг заполняется нервными клетками -- нейронами. От того, насколько удачно пройдет нейрогенез, будут зависеть адаптивные и умственные способности животного.

У каждого вида нейрогенез продолжается определенное время. В этот период предшественники нейронов амебовидными движениями передвигаются по будущему мозгу и закрепляются в его отделах. Некоторые части нервной системы в зависимости от нужд животного могут развиваться интенсивнее. Как правило, во взрослом организме новые нейроны появляются только при острой необходимости -- в случае, когда организм восстанавливает износившийся или поврежденный участок нервной системы. Поэтому нейрогенез, протекающий в период развития эмбриона, имеет огромное значение для формирования поведенческих, приспособительных и рефлекторных навыков животных.

Основываясь на этих знаниях, ученые предполагают, что мозг различных видов животных может иметь значительные анатомические и функциональные особенности из-за того, что нейрогенез у одних заканчивается раньше, чем у других. Продолжительность развития мозга и приоритетное развитие тех или иных отделов регулируется работой генов.

Мальки с чужими мозгами

Доктор Джей Тодд Стрильман (J.Todd Streelman, Ph.D), студент биологического факультета Джонатан Сильвестер (Jonathan Sylvester) и другие исследователи из Технологического университета Джорджии изучили развитие мозга на примере цихлид. Эти рыбы относятся к одному из наиболее распространенных семейств среди позвоночных, общая численность видов которых достигает 1900. Многие представители цихлид содержатся в аквариумах, некоторые относятся к промысловым рыбам.

Для эксперимента ученые отобрали шесть видов цихлид, обитающих в озере Малави (Lake Malawi Stock): по три вида, обитающих в песках и на камнях. Среди отобранных животных были те, которые питаются планктоном. Эти виды цихлид (Copadichromis borleyi, Mchenga conophorus, Aulonocara jacobfreibergi) поднимают донную муть и фильтруют ее, вылавливая плавающие организмы. Другие виды (Labeotropheus fuelliborni, Maylandia zebra, Cynotilapia afra) обитают вблизи камней, откладывают икру в пещерках и соскребают пищу с твердой поверхности.

У рыб, выбранных для эксперимента, мозг имеет некоторые структурный отличия. Они появились как средство, которое обеспечивает нормальное существование в экологической нише. Так, мозг цихлид, роющихся в донном песке, имеет прямо противоположное соотношение теленцефалона и таламуса в переднем мозге по сравнению с мозгом рыб, которые обитают на камнях. Таким способом мозг настраивается на то, чтобы рыба могла вычленять из водной мути планктон и ловить его. Цихлиды, обитающие у камней, воспринимают визуальную информацию в 3D-формате и различают камни и растущие на них водоросли.

«Геномы этих цихлид практически идентичны. Проводя аналогии, можно сказать, что генетические различия у них такие же, как у разных представителей одного вида -- например, Homo Sapiens. В то же время по строению мозга этих животных можно отнести к разным таксономическим группам», -- говорит профессор Дж. Стрильман.

Сотни видов цихлид произошли от одного общего предка. Расхождние видов, по подсчетам ученых, произошло около 500 тысяч лет назад. Этот небольшой эволюционный срок позволяет наблюдать полиморфизмы в развитии мозга при практически одинаковом наборе генов. У приматов морфологическое разнообразие идентичных геномов не проявляется, так как расхождение видов произошло достаточно давно (около 150 млн лет назад). Поэтому каждому геному соответствует «свой мозг». У цихлид же, напротив, животные с похожим геномом имеют различную анатомию мозга. То есть у недавно образовавшихся видов есть гены, экспрессия которых может привести к различным морфологическим результатам.

Проведенное исследование показало, что предпочтительное развитие тех или иных структур мозга зависит от экспрессии генов и происходит на эмбриональной стадии.

Ученые попытались с помощью химических веществ изменить шаблон, по которому в работу включаются гены, и таким образом «переделать» мозг пещерной цихлиды в модель мозга песчаных рыб. Для этого исследователи в течение 3-5 часов действовали хлоридом лития на эмбрионы цихлид, которые уже находились в стадии, когда расставляются приоритеты в развитии отделов мозга.

Дальнейшее развитие эмбрионы проходили в воде. Ученые несколько раз вылавливали мальков и изучали анатомические особенности мозга. Как и предполагалось, хлорид лития увеличивает экспрессию гена wnt1, который входит в группу тех, что отвечают за развитие таламуса и теленцефалона.

Именно этот ген определяет поведенческие и анатомические особенности песчаных цихлид. Под действием хлорида лития произошло перераспределение предшественников нейронов, из-за чего развился таламус. То есть ученые вырастили пещерную цихлиду с мозгом той, что роется в песке.

«Нейрогенез имеет важное значение в развитии любого животного и эволюции. Мы узнали, что анатомия мозга определяется физиологическими реакциями на эмбриональном уровне. В следующих исследованиях мы постараемся найти связь между нейрогенезом и поведением», -- говорит профессор Стрильман.

Проведенное исследование помогает понять, как эволюционно происходило расхождение видов -- дивергенция. Более того, становится ясно, что в видообразовании задействованы в том числе и механизмы раннего нейрогенеза.

Статья Brain diversity evolves via differences in patterning опубликована 3 мая 2010 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).