В июле нынешнего года в PNAS вышел обзор - небольшой по объему, но очень значительный по уровню обобщений. Представляется, что его значение определяется как веха в развитии науки об организации поведения. Если иметь в виду современную нейробиологию поведения, то идеологическое значение этого текста можно сопоставить с работой, которая была опубликована Грехем Хойлом в 1984 году ( Sombati, S., Hoyle, G. «Generation of specific behaviors in a locust by local release into neuropil of the natural neuromodulator octopamine» в J. Neurobiol., 1984 Nov; 15(6):481–506. А потом в книге - Hoyle, G. «Generetion of behavior: the orchestration hypothesis. В «Feedback and motor control in Invertebrates and Vertebrates» Eds. W. J. P. Barnes, M. H. Gladden. L.: Groom Helm, 1985, pp. 57–75). Работая на саранче, Хойлу удалось вызывать целостные поведенческие программы вводя октопамин в соответствующие области ее нервной системы (локомоцию, полет, откладку яиц). Хойл сравнивал влияние октопамина на саранчу с влиянием дирижёра на оркестрантов, впервые сформулировав представление об оркестрировании активности нейронов в нервой системе. В течение многих лет ученые связывали поведение животных с координированной деятельностью нервных клеток, клеточных ансамблей, обозначая их как нейронная сеть (NN). Однако тенденцией последних лет стало рассмотрение поведения животных с учетом регуляции активности генов.

Необычайно большое для обзора число авторов (15 специалистов из разных областей науки) соответсвует механизму возникновения данного текста. В августе 2018 года в Иллинойсе директором по вычислительной геномике IGB (Междисциплинарный центр геномных исследований в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейне), профессором компьютерных наук Саурабом Синхом, совместно с прежним директором IGB, профессором энтомогии Джином Робинсоном, был организован симпозиум “Cis-Regulatory Evolution in Development and Behavior”, в котором приняли участие около 20 специалистов широкого научного круга - генетиков, нейробиологов, этологов и математиков. Джин Э. Робинсон -  в своих исследованиях использует геномику и системную биологию для изучения механизмов и эволюции социальной жизни на западной медоносной пчеле Apis mellifera. Его исследования носят интегративный характер и касаются эволюционной биологии, поведения, нейробиологии, молекулярной биологии и геномики, что отразилось в характере работы симпозиума. Хотя название симпозиума имеет достаточно узкий адрес – цис-регуляторные системы, но результат двухдневного обсуждения вышел на уровень широкого обобщения данных об участии генов, регуляторных систем в формировании поведенческих программ, клеточного разнообразия и системного взаимодействия областей нервной системы в развитии и в эволюции поведения. Выводы работы изложены в недавней статье.

Авторы формулируют представление о трех уровнях регуляции работы нервной системы. Нейронные сети (NN) - это стандартная эвристической модель для описания активности мозга, связанной с поведением животных. Большое число генетических, а теперь и геномных исследований недавнего времени указывают на то, что поведение связано также и со скоординированной активностью генов в нейронах. Исследования последних лет указывают на значительную роль отдельного уровня сетевой деятельности в мозге - регуляторной сети генов (GRN), которая управляет уровнем экспрессии от сотен до тысяч генов в зависимости от конкретного поведения животного. Эти два уровня сетей характерным образом взаимодействуют между собой. Авторы предлагают разделять генетические сети, связанные с формированием поведения (bGRN) и GRN, связанные с развитием животных. Они проводят сравнение и противопоставление этих двух широких классов GRN, на основе их фенотипических проявлений.

Существенном понятием в представленной концепции становится понятие - «состояние клетки - cellular state». Особенно значимо оно для нервной системы многоклеточного животного, поскольку для нее характерно большое разнообразие типов клеток, высокий уровень их индивидуальности. Изменение поведенческого статуса животного нуждается в паралельном сдвиге состояния во множестве клеточных популяций в мозге животного.

Интересны представления авторов о взаимодействии генетических регуляторных сетей, связанных в развитием и формированием поведения. Для адаптивного функционирования нервной системы необходим тонкий баланс между стабильностью и гибкостью (открытостью к переходам между состояниями) как в развитии, так и при реализации поведения. Транскриптомные исследования указывают не только на то, что поведенческие стимулы изменяют профили экспрессии в тканях мозга предсказуемым и воспроизводимым образом, но также и то, что новый профиль генетической активности стабилен, соизмерим со стабильностью поведенческого состояния.

В кратком комментарии сложно передать содержание обзорной работы, следует однако отметить, что в ее основе лежат результаты более, чем сотни оригинальных экспериментальных работ, выполненных на широком спектре биологического материала – от беспозвоночных до человека. Это позволяет авторам дать сравнительную, хотя и пунктиром обозначенную картину организации взаимодействия регулирующих систем мозга (см. рисунок 1 и пояснения к нему).

И в заключении комментария трудно удержаться, чтобы не отметить, что исследования на беспозвоночных животных - как и в начале развития клеточной нейробиологии поведения, на нынешнем, геномном этапе науки дают бесценный материал общебиологического значения.

Рис.1. Взаимодействие нейрональной сети (NN) и генетической регуляторной сети (GRN). В разных клетках (нейронах), связанных нейронной сетью активность сети генов может проявлятьcя различным образом, даже когда сама генетическая сеть не меняется. GRN включает в себя как активирующие влияния между генами (зеленые стрелки), так и подавляющие (красные молоточки). Экспрессия генов обозначена как черные или серые ободки кружков, отражая, соответственно, высокий и низкий уровень экспрессии. Сигналы, направляемые нейронной сетью (стрелки, обозначенные как “Neural Signaling”), могут влиять на уровень экспрессии генов в клетке,  и активность GRN в одной клетке может влиять на экспрессию генов в другой клетке, например, через нейроэндокринные сигналы. Временные отношения (блок вверху справа – более толстые стрелки отражают более быстрые взаимодействия): быстрая (от миллисекунд до секунд) передача сигнала внутри NN (“Neural firing”) может индуцировать через межнейронную сигнализацию активность ранних генов (IEGs), связанных с поведением, которая может включить каскад более медленных транскрипционных факторов и эпигенетических изменений, опосредованных поведенческой GRN (bGRN) в диапазоне от секунд до дней. Эти изменения могут обратно влиять на NN, если будет меняться уровень нейротрансмиттеров или свойства нейрональных рецепторов. В некоторых случаях изменения, произошедшие в  bGRN, могут приводить к изменениям в развитии через dGRN на медленной шкале от дней, месяцев и даже через поколения. Эти медленные изменения влияют на морфологию мозга и вызывают процессы нейронального роста или переустановки нейрональных связей, влияя обратно на NN.

Новость подготовил © Захаров И.С.

08.09.2020