Учёные пролили свет на биологические корни индивидуальности
Поместите 50 новорождённых червей в 50 отдельных контейнеров, и они все начнут искать пищу примерно в одно и то же время. Как и представители других видов, микроскопические круглые черви C. elegans склонны вести себя так же, как другие особи их возраста.
Однако оказывается, что врождённая система, контролирующая соответствующее возрасту поведение у развивающегося червя, не полностью надёжна. Несмотря на идентичные гены и схожие условия развития, некоторые отдельные черви неизбежно будут маршировать под свой собственный барабан.
Новое исследование из Университета Рокфеллера проливает свет на биологию, которая направляет поведение на разных этапах жизни, а также предполагает, как вариации в специфических нейромодуляторах развивающейся нервной системы могут приводить к случайным различиям. Работа под руководством Кори Баргманн стала возможной благодаря новой инженерной системе, позволяющей учёным записывать поведенческую информацию для отдельных червей на протяжении всего жизненного цикла. Она опубликована в журнале Cell.
«На каждом этапе жизни существуют паттерны, отличные от паттернов на других этапах, и с помощью созданной нами системы мы можем видеть это очень чётко, удивительно сложным и устойчивым образом, — говорит Баргманн, профессор Торстена И. Виселя и руководитель Лаборатории нейронных цепей и поведения Лулу и Энтони Вана. — Мы также можем наблюдать нечто столь сложное, как индивидуальность, и начать разбирать стоящую за этим биологию».
Химическое соответствие
Наше понимание того, как гены управляют поведением, во многом основано на экспериментах, которые включают изменение нормального состояния субъекта с помощью внешних стимулов в течение короткого периода времени, например, дача мыши сыра в качестве награды за прохождение лабиринта. Мы меньше знаем о том, как гены влияют на поведение, когда животные занимаются своими обычными делами.
Шай Штерн, постдокторант в лаборатории Баргманн, создал систему для захвата спонтанного, внутренне генерируемого поведения червей на протяжении всего их развития, которое в общей сложности составляет около 50 часов. Учёные сосредоточились на пищедобывающем поведении — блуждающих движениях червей в поисках пищи — и обнаружили невероятно схожие паттерны активности между особями.
«Несмотря на то, что черви были разделены и не получали внешних сигналов, они активно искали пищу в тот же момент развития, что и другие черви, — говорит Штерн. — И мы увидели очень точные различия в пищедобывающем поведении на каждом этапе развития».
Создав генетические мутации у некоторых червей, исследователи также смогли идентифицировать специфические нейромодуляторы, или химические посредники в мозге, которые в норме удерживают животных «по графику». Например, мутация, нарушающая химический посредник дофамин, повлияла на скорость перемещения червей на поздних стадиях развития. Другие мутации повлияли на поведенческие паттерны внутри каждой стадии развития, что позволяет предположить, что разные нейромодуляторы влияют на поведение в разных временных масштабах.
Рождённые такими
Хотя большинство червей соответствовали одним и тем же поведенческим паттернам, ряд отдельных особей выделялся своим нетипичным пищедобывающим поведением. Изменчивость между особями обычно объясняется генетическими различиями или воздействием разных сред, но исследователи спроектировали это исследование так, чтобы учесть эти различия, используя генетически идентичных червей в идентичных условиях.
Одним из объяснений этих индивидуальных вариаций могут быть небольшие различия в том, как развивается нервная система. Существует фактор случайности в том, как некоторые нейроны соединяются друг с другом, который не контролируется генетикой, отмечает Баргманн.
Но Баргманн и коллеги показали, что нейромодуляторы также могут вносить вклад. Исследователи обнаружили, что удаление химического посредника серотонина из популяции червей резко сократило количество особей, демонстрирующих уникальные паттерны перемещения, или индивидуальность. Действительно, без серотонина все черви проявляли одинаковое пищедобывающее поведение в одно и то же время — открытие, которое показывает, насколько важна индивидуальность для выживания.
«С эволюционной точки зрения мы не можем позволить всем, как лемминги, бросаться с обрыва одновременно — кто-то должен делать что-то другое, чтобы вид выжил», — говорит Баргманн.