Генетические изменения могут влиять на коллективное поведение

Индивидуальные рыбки данио-рерио (Danio rerio) демонстрируют предсказуемые поведенческие реакции на определённые визуальные стимулы, которых достаточно для объяснения коллективного поведения животных — даже на личиночной стадии. Генетические мутации, связанные с неврологическими расстройствами у людей, изменяют эти поведенческие реакции и, как следствие, групповое поведение личинок. Таковы результаты исследования, проведённого нейробиологом доктором Армином Балем из Констанца и его коллегами из Гарвардского университета, недавно опубликованного в Science Advances. Работа показывает, что генетические изменения у отдельных особей могут не только изменять поведение групп, но и предоставлять методологический подход для экспериментальной проверки существующих моделей коллективного поведения.

Коллективное поведение данио-рерио

Большая часть современных видов рыб демонстрирует коллективное поведение, по крайней мере, на определённых этапах жизни. Это происходит, когда множество особей остаются в непосредственной близости друг от друга по социальным причинам или плывут в одном направлении. Потенциальные преимущества такого поведения многочисленны: от упрощения поиска партнёров до большей защиты отдельных рыб от хищников и повышения эффективности поиска пищи.

Данио-рерио также известны такими формами коллективного поведения. Этот вид давно используется как модельный организм в генетических, эволюционно-биологических и нейробиологических исследованиях. Однако до сих пор систематически не изучалось, когда данио начинают проявлять такое коллективное поведение, какие гены играют в этом роль и какую сенсорную информацию рыбы используют для этого.

Даже личинки данио реагируют друг на друга

Исследовательская группа изучила групповое поведение данио на разных стадиях развития — через 7 и 21 день после оплодотворения икры. Исследователи показали, что даже 7-дневные личинки реагируют на своих сородичей, ориентируя свои движения в одном направлении, одновременно активно избегая близкого соседства с другими. 21-дневные данио ещё сильнее ориентировали свои движения в том же направлении, что и их сородичи, но вместо избегания друг друга особи на этой стадии стремились к близкому соседству, как в стае.

На основе дальнейших поведенческих экспериментов и существующих знаний исследователи предположили, что наблюдаемое поведение личинок данио основано на двух относительно простых поведенческих реакциях: одна система в мозге личинки измеряет общее количество объектов в окружающей среде, а вторая анализирует стимулы движения. «Обе поведенческие реакции являются зрительно-моторными рефлексами. Это означает, что определённый тип визуальной информации вызывает у животных заданную поведенческую реакцию в форме движения», — поясняет Армин Баль.

Чтобы проверить это предположение, исследователи использовали компьютерную модель для имитации движений небольших групп рыб. Модель использовала только два указанных зрительно-моторных рефлекса в качестве «правил принятия решений» для определения поведения отдельных виртуальных рыб. «Смоделированные группы рыб вели себя точно так же, как и настоящие личинки данио. Это ясно указывает на то, что коллективное поведение животных действительно можно объяснить с помощью этих относительно простых поведенческих реакций», — говорит Армин Баль.

Целевые мутации изменяют групповое поведение личинок

Чтобы также выяснить, какую роль индивидуальный генетический состав играет в групповом поведении данио, исследователи использовали технику CRISPR-Cas9 для редактирования специфических генов у отдельных личинок. В результате они смогли показать, что мутации генов scn1lab и disc1 изменяли индивидуальные поведенческие реакции мутировавших животных на визуальные стимулы и, как следствие, поведение группы. Эти генетические мутации связаны соответственно с определёнными формами эпилепсии и аутизма у детей или с шизофренией. Личинки данио с мутацией scn1lab держались на большем расстоянии друг от друга, чем их сородичи без мутации. Напротив, личинки с мутацией disc1 держались ближе друг к другу, чем их дикие сородичи.

Как и прежде, поведение мутировавших животных могло быть смоделировано и воспроизведено компьютерной моделью. «Наш подход, использующий современные генетические техники и поведенческие эксперименты с данио в сочетании с компьютерным моделированием, даёт нам уникальную возможность целенаправленно влиять на социальное поведение, а затем проверять модели коллективного поведения животных. С помощью различных молекулярно-генетических и микроскопических инструментов, которые уже существуют для данио и которые мы в настоящее время создаём в Констанце, мы скоро сможем также детально проанализировать нейронные основы этого увлекательного поведения», — заключает Армин Баль.