Рис. 1. Постановочный кадр охоты полярной совы на мышь. Мыши такой окраски крайне редко встречаются в природе, зато часты в лабораториях. Тем не менее, лабораторные грызуны не потеряли свои инстинкты: замереть, если над ними в поисках добычи курсирует хищник, и бежать, если он снижается и приближается к ним. В первом случае реакция мыши повышает ее шанс остаться незамеченной, а во втором дает возможность оторваться от преследования. Как теперь стало известно, оба варианта поведения контролируются одними и теми же нервными клетками. Фото с сайта pqspb.org

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 (рис. 2). Дальше мы сосредоточимся на дорсальных ядрах шва: именно их стимулировали у подопытных грызунов в обсуждаемой статье.

Рис. 2. Система серотонинергических нейронов головного мозга мыши (продольный разрез по центральной линии). Красными линиями показаны отростки клеток ядер шва — проекции (см. Projection fiber) в другие области мозга. В1–B9 — названия пар ядер шва, MR (зеленый эллипс) — медиальные ядра шва, medial raphe, DR (желтый эллипс) — дорсальные ядра шва, dorsal raphe. Остальные структуры мозга: Cerebellum — мозжечок, Hippocampus — гиппокамп, Frontal cortex — лобная кора, Olfactory bulb — обонятельная луковица, Striatum — полосатое тело (стриатум), N. accumbens — прилежащее ядро, Amygdala — миндалина (амигдала), MFB — медиальный фронтальный пучок, Thalamus — таламус, Hypothalamus — гипоталамус, Midbrain — средний мозг. Изображение из статьи K.-P. Lesch, J. Waider, 2012. Serotonin in the Modulation of Neural Plasticity and Networks: Implications for Neurodevelopmental Disorders

Ядра шва — один из основных источников серотонина в головном мозге. Как можно видеть на рис. 2, 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, см. behavioural despair test) и принудительного подвешивания за хвост (tail suspension test). 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 (см. Open field) — 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 (рис. 3). 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.

Рис. 3. Записи активности серотонинергических нейронов (флуоресцируют зеленым на изображении A) дорсальных ядер шва мышей в разных ситуациях: ВE — тест «открытое поле» (OFT, open field test), FI — переход из одного отсека камеры в другой по звонку (tone, отмечен зеленым) за водой (approach task), JM — переход из одного отсека камеры в другой по звонку (tone, время его звучания отмечено зелеными прямоугольниками) во избежание удара током (avoidance task), NS — тест принудительного подвешивания за хвост (TST, tail suspension test). B, F, J, N — схемы экспериментов. C, J, K, O — примеры изменения интенсивности флуоресценции исследуемых нейронов (черные линии) во время соответствующих экспериментов в сравнении со скоростью движения животных (красные линии). В случае O красным отмечены показатели акселерометра, измеряющего «напряжение» приклеенного хвоста, то есть попытки освободиться. D, H, L, P, R — сопоставленные по времени активность исследуемых нейронов (черные линии) и двигательная активность мышей (красные линии). Видно, что во всех экспериментах, кроме принудительного подвешивания за хвост, серотонинергические нейроны дорсальных ядер шва «затихают», когда мышь начинает движение (movement onset). При подвешивании за хвост (P, R) реакция клеток обратная (R — попытки вырваться не помогли животному освободиться). E, I, M, Q, S — сравнение средней интенсивности флуоресценции GCaMP до и после начала движений животного в разной обстановке. Вновь во всех случаях, кроме двух последних (Q — неудачные попытки освободиться), флуоресценция GCaMP, а значит, и активность серотонинергических нейронов ослабевает, когда мышь двигается. В последних двух случаях она, наоборот, усиливается. GFP — зеленый флуоресцентный белок. Одной звездочкой помечены статистически значимые различия с P < 0,05, двумя — с P < 0,01, ns — отсутствие статистически значимых различий. Изображение из обсуждаемой статьи в Science, с изменениями

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 (eYFP, enhanced yellow fluorescent protein). 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 (рис. 4). 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.

Рис. 4. Результат стимуляции ГАМК-ергических нейронов дорсальных ядер шва мышей. AE — свободный бег в колесе (wheel), FJ — тест принудительного подвешивания за хвост (TST, tail suspension test). Optical encoder — устройство для регистрации движений животного. B, G — примеры изменения интенсивности флуоресценции исследуемых нейронов (черные линии) во время соответствующих экспериментов в сравнении со скоростью движения животных (красные линии). В случае G красным отмечены показатели акселерометра, измеряющего «напряжение» приклеенного хвоста (то есть попытки освободиться). C, H — сопоставленные по времени активность исследуемых нейронов (черные линии) и двигательная активность мышей (красные линии). При подвешивании за хвост активация ГАМК-ергических клеток дорсальных ядер шва совпадает с попытками мыши высвободиться, а при беге в колесе такие клетки, напротив, «замолкают» во время движений животного. D, I — сравнение средней интенсивности флуоресценции GCaMP до и после начала движений животного в разной обстановке. GFP — контроль. Одной звездочкой помечены статистически значимые различия с P < 0,05, двумя — с P < 0,01, ns — отсутствие статистически значимых различий. E, J — доля времени, проведенного животным в движении, из трехминутного отрезка эксперимента (на каждом графике по 6 таких отрезков). Отрезки, когда стимуляция ГАМК-ергических нейронов не производится, отмечены белыми вертикальными полосами и словом OFF. Отрезки, когда ГАМК-ергические нейроны стимулируются оптогенетически, отмечены голубыми вертикальными полосами. Синие круги — данные по грызунам со встроенными в нужные нейроны ChR2 и eYFP. Черные квадраты — данные по животным, у которых есть только eYFP (контрольная группа). Видно, что подвижность мышей из контрольной группы не зависит от оптогенетической стимуляции (она на них и не может подействовать), а подвижность зверей с ченнелродопсином повышается от такой стимуляции, произведенной в очень неприятной обстановке. Изображение из обсуждаемой статьи в Science, с изменениями

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 (см. J. F. Marshall et al., 1976. Activation-induced restoration of sensorimotor functions in rats with dopamine-depleting brain lesions). 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.

Источник: Changwoo Seo, Akash Guru, Michelle Jin, Brendan Ito, Brianna J. Sleezer, Yi-Yun Ho, Elias Wang, Christina Boada, Nicholas A. Krupa, Durgaprasad S. Kullakanda, Cynthia X. Shen, Melissa R. Warden. Intense threat switches dorsal raphe serotonin neurons to a paradoxical operational mode // Science. 2019. V. 363. I. 6426, P. 538–542. DOI: 10.1126/science.aau8722.

Светлана Ястребова

Источник elementy.ru