Омоложение сравнительного подхода в современной нейронауке
65 лет назад поведенческий эндокринолог Фрэнк Бич написал статью «The Snark was a Boojum», где использовал метафору из поэмы Льюиса Кэрролла «Охота на Снарка». В поэме некоторые Снарки оказываются Буджумами, при встрече с которыми охотник бесследно исчезает. Бич применил эту аллегорию к проблеме сравнительной психологии 1950-х: сверхфокусировке на нескольких «модельных видах», что привело к сужению поля исследований. Учёные «охотились» на «Поведение животных», но этот Снарк тоже оказался Буджумом — вместо множества видов они остановились на одном, лабораторной крысе, и «сравнительный психолог мягко и внезапно исчез».
Бич предвидел, что биологические и психологические исследования сконцентрируются на единичных модельных организмах. Эта тенденция привела к настоящему «бутылочному горлышку»: сейчас подавляющая часть исследований сосредоточена на явлениях у небольшого числа видов, таких как лабораторная мышь (Mus musculus), крыса (Rattus norvegicus), нематода (Caenorhabditis elegans), плодовая мушка (Drosophila melanogaster) или рыбка данио (Danio rerio). Анализ 2008 года показал, что «75% исследовательских усилий направлены на мозг крысы, мыши и человека, что составляет 0.0001% нервных систем на планете». Такой узкий фокус может искажать или сильно ограничивать наши выводы.
Генетическая революция и её последствия
Невероятный прогресс в генетических технологиях за последние 25 лет ещё больше укрепил доминирование нескольких модельных организмов. Например, мышь стала одним из первых млекопитающих, чей геном был полностью секвенирован (результаты опубликованы в 2002 году). Наличие этой информации привело к разработке инструментов (праймеры, shRNA, олигонуклеотиды) и методов (условные нокаутные модели) именно для мыши. Это ещё больше обесценило использование других организмов, поскольку самые передовые инструменты создавались почти исключительно для мыши. Это также поощряло «втискивание» исследований в рамки данной модели, даже когда она была неоптимальна, — просто чтобы использовать доступные генетические инструменты.
Например, лабораторная мышь в основном интерпретирует среду через обоняние, а не зрение (будучи ночным животным), что делает её не лучшим объектом для изучения зрительной системы. Кроме того, создание надёжных животных моделей психических расстройств остаётся сложной задачей, и попытки сделать мышь главной моделью в психиатрии потенциально тормозят прогресс в этой области. Для сравнения, дикие белоногие хомячки (Peromyscus leucopus), генетически отличные от лабораторных мышей, демонстрируют сезонные изменения в поведении. В ответ на короткий зимний день у них усиливаются реакции страха и меняется клеточная структура миндалины — ключевой области мозга для регуляции страха. Поскольку эти изменения обратимы и контролируются чётким сигналом среды (продолжительностью дня), эти дикие мыши могут помочь в разработке трансляционных моделей для расстройств с дисфункцией миндалины, например, посттравматического стрессового расстройства (PTSD).
Преимущества сравнительного подхода
Акцент на нескольких модельных организмах возник из-за их удобства, быстрого эмбрионального развития, низкой стоимости и доступной нервной системы. В последние десятилетия доступ к генетическому коду организма стал ещё одним стимулом для его использования в исследованиях. Хотя эти преимущества полезны, они поощряют исследовательскую близорукость и забвение вклада, который разнообразные виды уже внесли в науку. Как пишут Бреноуитц и Закон, «эта близорукость влияет на выбор тем и решения по финансированию и может лишить биологов новых открытий».
Примеры прорывов, ставших возможными благодаря сравнительному подходу:
- Понимание ионной основы потенциала действия (кальмар).
- Открытие взрослого нейрогенеза (канарейка).
- Условные рефлексы (собака).
- Дендритные шипики (курица).
- Клеточные основы обучения и памяти (морской заяц, Aplysia).
Совсем недавно благодаря характеристике канальных родопсинов у водорослей стали возможны incredible advancements в оптической контроле нейрональной функции (оптогенетика).
Новые возможности для сравнительной биологии
Генетическая революция сначала предоставила инструменты только для немногих секвенированных организмов. Однако сейчас сравнительный подход получает инструменты, необходимые для участия в генетической революции XXI века.
Новые методы редактирования генома, такие как TALENs, TILLING или CRISPR/Cas9, позволяют быстро, легко и эффективно манипулировать геномом в самых разных видах. Это уже реализовано для атлантического лосося, тиляпии, коз, асцидий и тутового шелкопряда. Кроме того, по мере стремительного снижения стоимости полного секвенирования генома новые инструменты будут разрабатываться для более широкого круга видов, чем когда-либо прежде.
Многие groundbreaking discoveries, возникшие из исследований на разнообразных и специализированных организмах, вряд ли получили бы финансирование в нынешней «модельной» парадигме. Нельзя класть все исследовательские «яйца» в одну модельную «корзину». Вместо этого стоит инвестировать в широкий спектр организмов, подходящих для каждой конкретной научной задачи. Время возрождать сравнительный подход настало. Как говорят Бреноуитц и Закон: «Аспиранты, стряхните пыль с полевых ботинок!»