Нейроны заставляют и двигаться, и замирать
Львиная доля успеха выживания — своевременные и уместные в имеющихся условиях реакции на раздражители. Поэтому один и тот же стимул в разных контекстах нередко запускает разное поведение. Нейробиологи из Корнелльского университета показали, как это реализуется на клеточном уровне в случае защитных реакций у мышей. Если уровень опасности средний или низкий, активность серотонинергических нейронов дорсальных ядер шва побуждает грызунов замирать и в принципе меньше двигаться. При высоком уровне опасности сигналы от этих клеток, напротив, провоцируют у мышей активное убегание и повышают двигательную активность животных. Сходным образом ведут себя и ГАМК-ергические нейроны в составе этих ядер.
Если очень сильно упростить, то можно сказать, что жизнь животного — это реакции на различные раздражители. Воспринимают раздражители рецепторы, а реакцию обеспечивают эффекторы. Под словом «рецептор» могут скрываться и целые органы, и группы клеток, и белковые комплексы в составе таких клеток. А под эффекторами нередко имеют в виду скелетные мышцы, обеспечивающие движения организма.
Если немного приблизить это упрощение к жизни, уместно вспомнить, что практически ни один стимул не подается изолированно от прочих. Параллельно с ним животное всегда получает какие-то другие сигналы. Мы слышим пение птиц и в то же время видим их силуэты в небе, растения, на которые они садятся, ощущаем запахи цветов и тепло солнца. Правда, те же птицы могут «петь» и у нас в наушниках, когда мы слушаем записи их голоса параллельно с работой на компьютере в помещении. Главный стимул в этих двух описаниях один, а контексты совершенно разные.
Если вы, например, мышь, то трели певчих птиц вряд ли вам чем-то угрожают. Но многие другие стимулы представляют опасность, притом в разных условиях степень этой опасности неодинакова. Если хищник видит вас, то вам, вероятно, осталось жить несколько минут. Когда вы его видите, а он вас еще не заметил, то можно затаиться и увеличить шанс, что все обойдется. Контекст имеет значение и в ситуациях, где не надо бежать или обороняться. Скажем, сытый зверь с меньшей охотой пойдет за труднодоступной пищей, чем голодный.
Получается, что животному необходимы структуры для восприятия сигналов, структуры для ответа на эти сигналы движениями и структуры для оценки контекста (к ним должна приходить информация обо всех стимулах, действующих на организм в данный момент). Последние способны менять характер и интенсивность двигательного ответа на стимулы. У млекопитающих подобных систем несколько. В их число входят черная субстанция среднего мозга с нейронами, образующими дофамин, и ядра шва, многие клетки которых выделяют серотонин. Оба вещества служат нейромодуляторами, то есть регулируют ответы клеток на стимуляцию со стороны других нейронов.
Ядра шва входят в состав мозгового ствола — осевой структуры, включающей в себя продолговатый мозг, а также части заднего, среднего и, по некоторым классификациям, промежуточного мозга. Это парные образования, всего их девять пар, и их нумерация у человека начинается от ближайшей к спинному мозгу пары ядер. У мышей они тоже присутствуют, но из-за разницы в анатомии получается, что некоторые пары с меньшим номером оказываются дальше от спинного мозга, чем пары с большими номерами. Дальше мы сосредоточимся на дорсальных ядрах шва: именно их стимулировали у подопытных грызунов в обсуждаемой статье.
Ядра шва — один из основных источников серотонина в головном мозге. Они «раздают» этот нейромодулятор фактически всему мозгу. Повышенное содержание серотонина в переднем мозге делает лабораторных грызунов менее подвижными и более склонными к замиранию на месте, а пониженное добавляет животным импульсивности и учащает повторяющиеся движения (персеверации).
По такой логике вещества, ограничивающие возвращение серотонина из синаптической щели в выделивший его нейрон и тем самым усиливающие его влияние на соседние клетки, должны снижать подвижность животных. Однако на деле СИОЗС — селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, крупная группа веществ, применяемых для лечения депрессии, — стимулируют движения подопытных крыс и мышей. Это выявили в ходе стандартных поведенческих тестов для оценки эффектов антидепрессантов — теста принудительного погружения (он же тест Порсолта: животное вынуждено грести лапами в тесном наполненном водой цилиндре, чтобы не утонуть) и принудительного подвешивания за хвост. Аналогичное действие оказывает и стимуляция связей дорсальных ядер шва с префронтальной корой — структурой мозга, ответственной за планирование и принятие решений.
В попытке разрешить это противоречие авторы обсуждаемой статьи, опубликованной в недавнем номере журнала Science, обратили внимание на обстановку, в которой грызуны совершают движения. И тест Порсолта, и тест принудительного подвешивания — крайне неприятные для животных процедуры. К счастью, далеко не вся жизнь лабораторных мышей проходит в таких некомфортных условиях. Вполне вероятно, что снижение подвижности подопытных при высоком уровне серотонина происходило в менее стрессирующих ситуациях, от которых не обязательно было немедленно убегать.
Чтобы проверить гипотезу о неодинаковом действии серотонина ядер шва на поведение мышей в разных ситуациях, исследователи протестировали этих грызунов (линия C57BL/6J, взрослые самцы) в четырех ситуациях разной степени опасности/неприятности для животных. В одном случае животные находились в открытом поле — в данном случае в ящике 50;50 см с высокими бортиками. В другом учились переходить из одного отсека камеры в другой до конца звучания тона длиной 8 секунд: тогда во втором отсеке им давали воду. В экспериментах третьего типа в аналогичной камере грызунам требовалось перейти из одной половины в другую до окончания звука, в противном случае на решетчатый пол подавали напряжение (били мышей по лапам током). Самой неприятной была ситуация четвертого типа, когда зверей на 6 минут приклеивали липкой лентой к дощечке за хвост. Тест Порсолта не использовался по той причине, что в нем легко намочить место ввода оптоволокон в череп мышей.
Необходимо было выяснить, как ведут себя серотонинергические нейроны дорсальных ядер шва в описанных случаях, когда они активны, а когда нет. Есть в ядрах шва и нейроны, выделяющие гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК). Они, по всей видимости, тоже регулируют движения мышей. Время и степень активации серотонинергических и ГАМК-ергических нейронов оценивали по интенсивности флуоресценции GCaMP — кальциевого сенсора, заранее встроенного в такие клетки с помощью вирусных векторов. Уровень внутриклеточного кальция, как правило, растет при интенсивной работе нейрона, поэтому чем активнее в данный момент клетка, тем выше у нее интенсивность флуоресценции GCaMP. В качестве контроля использовали животных с GFP (зеленым флуоресцентным белком) вместо GCaMP.
Эти эксперименты показали, что серотонинергические нейроны дорсальных ядер шва более активны во время движений лишь в самых неприятных условиях — при подвешивании за хвост. В более спокойной обстановке (при перемещении в открытом поле, а также в опытах в камере с двумя отсеками) эти же клетки почти «замолкали» при перемещениях животного. ГАМК-ергические нейроны оказались чувствительнее к угрозе: они интенсивно работали во время движений мыши и при подвешивании за хвост, и при менее стрессирующем (поскольку мышь все-таки могла избежать неприятностей, убежав в другой отсек камеры) избегании удара током.
Теперь необходимо было понять, есть ли причинная связь между сменой режима работы серотонинергических и ГАМК-ергических клеток дорсальных ядер шва и двигательной активностью мышей в разных ситуациях. Для этого во время опытов, аналогичных уже проведенным, ученые стимулировали указанные клетки методами оптогенетики. В дорсальные ядра шва вводили нанолитры раствора, содержащего вирусные векторы. Одни векторы проникали в клетки, на поверхности которых присутствовал переносчик серотонина SERT, а другие внедрялись в нейроны с переносчиком ГАМК Vgat на мембране. Помимо GCaMP векторы встраивали в нейроны обеих групп модификацию желтого флуоресцентного белка. Он, в свою очередь, был связан с ченнелродопсином ChR2 — ионным каналом. Воздействие светом с длиной волны 473 нм активировало ChR2, он начинал впускать внутрь нейронов шва ионы натрия и тем самым активировал свои клетки. eYFP при такой стимуляции флуоресцировал, чем помогал обнаружить эти нейроны. Была и контрольная группа животных, с eYFP, но без ченнелродопсина. У них ГАМК-ергические нейроны «светились», но их невозможно было активировать оптогенетически.
В результате этих процедур исследователи получили возможность активировать ГАМК-ергические (несущие Vgat) и серотонинергические (несущие SERT) клетки дорсальных ядер шва. Стимулируя их светом в разных экспериментальных условиях, ученые установили, что в самой неприятной для мышей ситуации, при подвешивании за хвост, активация клеток обоих типов заставляет животных двигаться больше и быстрее — а при нейтральном контексте, например во время добровольного бега в колесе (его ставили в открытом поле), не действует. Но, как и в первой серии опытов, нашлись различия между реакциями ГАМК- и серотонинергических клеток. Мышь двигалась больше, когда ей стимулировали ГАМК-ергические нейроны, а она находилась в открытом поле при ярком освещении: эти грызуны ночные и чувствуют себя неуютно днем без укрытия. Аналогичная стимуляция серотонинергических нейронов ядер шва в тех же условиях приводила к обратному результату: грызуны чаще замирали, будто над ними летал хищник. Это различие авторы, опять же, списывают на разные пороги чувствительности к опасности у выделяющих ГАМК и выделяющих серотонин нейронов.
Общий вывод из полученных результатов: нейроны дорсальных ядер шва регулируют двигательную активность мышей, но в зависимости от степени напряженности обстановки делают это совершенно по-разному. Если опасности нет или она может пройти стороной, активация таких клеток снижает подвижность животных, а если опасности не избежать или ее вероятность по крайней мере велика, работа ГАМК- и серотонинергических клеток приводит к повышению двигательной активности своих обладателей. За счет этого поведение животного получается более адаптивным.
Выходит, что в момент сильной опасности управление движениями производится не так, как в обычной жизни: при этом задействуются какие-то дополнительные механизмы. В целом, это не новость. Более сорока лет назад было показано, что самцы крыс, которым существенно снизили содержание дофамина в полосатых телах (а это один из главных центров управления движениями) и почти неспособные нормально ходить, начинали активно перемещаться, если их бросить в воду, поместить на лед или в окружение кошек. Теперь мы можем предположить, что у тех крыс в критических ситуациях тоже активировались клетки дорсальных ядер шва, и это они обеспечивали движения из последних сил тем, кто уже мало на них способен. Вероятно, при этом работали и другие системы экстренного запуска движений.
"Элементы" 18. 03. 2019.
Другие статьи в литературном дневнике:
