Крошечные микроскопы, установленные на головах мышей, позволили исследователям заглянуть в нейронные схемы социального поведения.
Инстинкты, такие как спаривание или драка, являются врожденными формами поведения, которые, как считается, заложены в мозг животного. Но теперь два исследования, которые отображают активность мозга у живых мышей, показывают, что социальный опыт может влиять на реакцию мозга на других мышей. Результаты, недавно опубликованные в журналах Nature и Cell, показывают, как и где в мозге некоторые инстинкты формируются в результате обучения, говорит исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Дэвид Андерсон из Калифорнийского технологического института.
«Мы начинаем понимать, что происходит между той частью мозга, которая воспринимает сенсорную информацию, и той частью, которая отвечает за поведение», - говорит Андерсон.
Неврологи хотят понять, как мозг преобразует образы, звуки и запахи в картины внешнего мира. Для животных запах также дает подсказки о возрасте и поле окружающих; эта информация может вызвать инстинктивное поведение. Например, самцы и самки мышей, живущие в одной клетке, спариваются, а два самца часто дерутся за территорию.
Андерсон и исследователь HHMI Кэтрин Дулак из Гарвардского университета ранее определили области мозга, контролирующие социальное поведение у мышей. Андерсон использовал генетический и оптогенетический подходы для выявления областей мозга, ответственных за контроль агрессивного и брачного поведения. И Дюлак использовал аналогичные подходы для изучения нейронных путей, участвующих в социальном поведении, связанном с обонянием, у самцов и самок мышей.
Теперь исследователи визуализировали активность мозга бодрствующих мышей, когда они нормально взаимодействовали с мышами и другими раздражителями. Работая независимо друг от друга, Дюлак и Андерсон нанесли на карту закономерности мозговой активности в различных областях мозга, когда мыши обнюхивали, игнорировали, дрались или спаривались с другими мышами. Дюлак также отслеживал активность мозга, вызванную запахами хищников и младенцев.
Постоянные изменения мозга
Дюлак и ее коллеги отслеживали активность мозга в медиальной миндалине, миндалевидной структуре, которая передает сигналы запаха в гипоталамус. Во-первых, исследователи использовали генетический трюк, чтобы ввести белок, который загорается в активных клетках мозга. Затем команда установила легкие микроскопы на головы отдельных мышей и посмотрела, какие клетки мозга были активны, когда каждая мышь с камерой встречала другую мышь. Тонкая стеклянная палочка, имплантированная в миндалевидное тело, собирала свет от активных клеток мозга и служила линзой микроскопа. Исследователи записывали нейронную активность, записывая на видео поведение мышей в различных социальных ситуациях.
Команда Дюлака заметила, что различные кластеры нейронов загораются, когда мыши встречают представителей противоположного пола. По словам Дюлака, у мужчин и женщин эти специфичные для пола нейронные паттерны были совершенно разными. И, что удивительно, акт спаривания фактически трансформировал паттерны активности мозга. Дюлак и его коллеги обнаружили, что после содержания девственных мышей в клетке с мышами противоположного пола в течение 15 дней у мышей произошли долговременные изменения в мозгу.
Ключом к этому открытию был амбициозный эксперимент, в ходе которого исследователи регулярно отслеживали поведение мышей и нейронную активность (с помощью мини-микроскопов на голове) в течение более трех месяцев подряд - технический подвиг, на который ученые не пытались раньше.
Исследователи обнаружили, что сексуальный опыт усиливает реакцию мозга на запахи противоположного пола и улучшает способность животных различать самцов и самок. Это признак того, что опыт - обучение - может помочь сформировать инстинкты животного, говорит Дюлак.
«Было удивительно наблюдать, как паттерны активности мозга, которые, как считается, инстинктивно активируются запахом, на самом деле меняются с опытом - и остаются такими в течение месяца», - говорит Дюлак.
Команда Дюлака обнаружила, что у самцов мышей гормон окситоцин, известный своей ролью в материнских и социальных связях, вероятно, участвует в регуляции этих долгосрочных изменений в мозге. У самок мышей беременность также изменила характер активности мозга. Во время и после беременности запах хищника (грязная крысиная подстилка) не вызывал такой сильной нервной реакции, как у мышей до беременности. По словам Дюлак, это открытие было важным, потому что было показано, что беременные женщины и молодые матери меньше реагируют на стрессоры. Ее команда, которая сотрудничала с исследователем HHMI Марком Шнитцером из Стэнфордского университета и Венкатеш Мурти из Гарварда, сообщила о своих результатах 26 октября 2017 года в Cell.
Прощупывание гипоталамуса
В Калифорнийском технологическом институте Андерсон и его коллеги также хотели визуализировать нейронные схемы, связанные с социальным поведением самцов мышей. Исследователи, включая Шнитцера из Стэнфорда, использовали ту же микроскопическую технику, что и группа Дюлака, но имплантировали линзу в вентромедиальный гипоталамус, эволюционно древнюю структуру, участвующую в социальном поведении. Команда Андерсона визуализировала активность определенной популяции нейронов, которые производят рецептор эстрогена, который хорошо известен своим влиянием на социальное поведение.
Команда Андерсона поместила микроскопы на девственных, социально изолированных самцов мышей и позволила им попеременно взаимодействовать с пятью разными самками и пятью разными самцами, с каждым по две минуты, в течение нескольких дней подряд. Исследователи визуализировали одни и те же нейроны в нескольких испытаниях и в течение нескольких дней и сопоставляли изменения в нейронной активности с изменениями в социальном поведении, например, при обнюхивании, лазании и нападении..
Во время первоначальных встреч самцов с посетителями мужского или женского пола исследователи почти не наблюдали спаривания или драк, и одни и те же нейроны загорались в ответ на представителей обоих полов. Но с продолжительным социальным опытом самцы постепенно начали спариваться с посетителями женского пола, а затем и нападать на посетителей мужского пола. В то же время больше нейронов стало реагировать специфически на тот или иной пол, а меньше - на оба пола.
"Мы наблюдали, как эти паттерны активности меняются в режиме реального времени, когда мозг мыши научился различать самцов и самок", - говорит Андерсон.
В другом наборе экспериментов команда Андерсона показала, что даже краткий опыт общения с самкой мыши может иметь большое значение для мозга девственного самца, а также для его агрессивного поведения. Всего 30 минут сексуального опыта было достаточно, чтобы стимулировать характерные для женщин и мужчин модели нервной активации при тестировании через 24 часа. Короткое свидание также вызвало у самцов проявление агрессии на следующий день, тогда как самцы без этого опыта были неагрессивны. Тридцатиминутный опыт с самцом не дал такого эффекта.
Результаты показывают, что, хотя спаривание и драка являются врожденными формами поведения, мозг мышей должен научиться различать самцов и самок, прежде чем они смогут должным образом демонстрировать оба этих поведения, говорит Андерсон.«В этом инстинктивном поведении есть приобретенный компонент».
Выводы его команды также показывают, что нейронная активность в гипоталамусе является динамической и может формироваться в зависимости от опыта, добавляет Андерсон. Эти свойства указывают на то, что эта эволюционно древняя область мозга может быть больше похожа на более новые области мозга, чем считалось ранее, говорит он. Он и его коллеги сообщили о своей работе 18 октября 2017 года в журнале Nature.
Несмотря на то, что группы Дюлака и Андерсона исследовали разные области мозга, оба исследователя обнаружили аналогичную взаимосвязь между специфичной для пола нейронной активностью и социальным поведением.
Но пока невозможно сказать, влияют ли паттерны активации, наблюдаемые двумя группами в разных областях мозга, друг на друга, говорит Андерсон. Связи между гипоталамусом и миндалевидным телом сложны, и эксперименты по отслеживанию потока информации между ними находятся на грани того, что технически возможно, добавляет он.
Но в целом текущая работа позволила исследователям детально изучить нейронные схемы, лежащие в основе социального поведения мышей, говорит Дюлак. «Замечательно иметь поток информации о том, что говорит мозг животного при встрече с другим животным, и как это меняется в зависимости от социального опыта. Для меня это что-то вроде воплощения мечты», - говорит она.