Модельные объекты в нейробиологии

Круг объектов исследования современной нейробиологии огромен, однако далеко не все из них стали модельными для решения фундаментальных и прикладных задач, стоящих перед этой областью естественных наук. Наиболее традиционными модельными объектами нейробиологии долгие годы были представители позвоночных животных и прежде всего млекопитающих (крысы, мыши, кролики, собаки и кошки). Это в значительной степени связано со сходством организации их нервной системы с нервной системой человека. Удобство содержания в лабораторных условиях, плодовитость, быстрый рост, более детальная изученность их организации в целом сделали особенно крыс и мышей классическими модельными объектами для всестороннего изучения нервной системы высших животных, их поведения, механизмов памяти, последствий воздействия на нервную систему и сенсорные органы повреждающих факторов, механизмов функциональной и посттравматической репарации нервной системы, ее онтогенеза. Для максимально гуманного использования подопытных животных в научно-исследовательских работах в ряде стран были разработаны специальные рекомендации по содержанию животных, постановке с ними экспериментов, обезболиванию и наркотизации. Соблюдение этих рекомендаций в значительной степени стало контролироваться.

Постепенно с получением новых знаний о нервной системе представителей других групп позвоночных круг модельных объектов нейробиологии был расширен за счет введения в него представителей птиц, амфибий, рептилий и рыб. Это позволило дополнительно на примере более детального изучения отдельных видов выявить основные закономерности и особенности эволюционных преобразований нервной системы и сенсорных структур в разных таксономических группах позвоночных (см. раздел Животные).

Способность животных воспринимать мельчайшие изменения в окружающей среде с помощью своих органов чувств всегда вызывала пристальное внимание нейробиологов. Поскольку на человеке невозможно проводить полноценное изучение структурно-функциональной организации сенсорных систем, механизмов кодирования и обработки сенсорной информации, а также связи сенсорной периферии с высшими отделами мозга и формированием ими моторных команд, то все это стали успешно исследовать на представителях позвоночных животных. Благодаря этим работам были получены выдающиеся результаты в изучении молекулярных механизмов зрительной, обонятельной и вкусовой рецепции, физиологии интероцептивного анализатора, механизмов внутриклеточной сигнализации, вестибулярных функций и мн. др. Полученные данные легли в основу разработки теории передачи и восприятия изображений, моделирования обонятельной и зрительной функций с целью создания технических датчиков и т.п.

1. Биофизика сенсорных систем: учебное пособие / Альтман Я.А., Бигдай Е.В., Вартанян И.А., Говардовский В.И. и др. / под ред. В.О. Самойлова. СПб.: ИнформМед. 2007. 288 с.
2. Бронштейн А.А. Обонятельные рецепторы позвоночных. Л.: Наука. 1977. 160 с.
3. Жеденов В.Н., Бигдан СС., Лукьянова В.П., Самборская Е.П., Удовин Г.М., Яньшин К.И. Анатомия кролика. Лабораторные животные. М.: «Советская наука». 1957. 309 с.
4. Каламкаров Г.Р. Молекулярные механизмы зрительной рецепции / Каламкаров Г.Р., Островский М.А. М.: Наука. 2002. 279 с.
5. Орлов И.В. Вестибулярная функция. СПб.: Наука. 1988.
6. Мазитова Р.М. Обоняние и его моделирование / Мазитова Р.М., Охотская В.Н., Пучкин Б.И.. Новосибирск: Наука (Сиб. Отд). 1966. 117 с.
7. Сахаров П.П., Метелкин А.И., Гудкова Е.И. Лабораторные животные. М.: Медгиз. 1952. 316 с.
8. Терентьев П.В. Лягушка. Лабораторные животные. М.: «Советская наука» 1959. 345 с.
9. Resource Book for the Design of Animal Exercise Protocols. American Physiological Society. 2006. 136 р.

Врановые в настоящее время широко используются в качестве объекта для изучения высшей нервной деятельности, основ мышления и эволюции центральной нервной системы. Это направление исследований было заложено в работах Л.В. Крушинского (на Кафедре высшей нервной деятельности МГУ, г. Москва), в которых он впервые показал на ряде представителе млекопитающих и птиц, что у животных существуют элементы рассудочной деятельности. Изучение высшей нервной деятельности птиц, чьи способности превосходят хищных млекопитающих и достигают уровня приматов, позволяет понять истоки возникновения в эволюции позвоночных животных и человека мышления и сознания (Зорина, Полетаева, 2002; Зорина, Обозова, 2011).

В пределах класса птиц были обнаружены сходные с млекопитающими градации способности к экстраполяции – от полного её отсутствия у голубей до высокого её развития у врановых птиц. Для изучения способности птиц к логическому мышлению, использовали различные тесты: эксперименты с непрозрачной ширмой и кормушками, тест Ревеша–Крушинского, тест на способность животных к сравнению множеств и т.п.). Во всех этих тестах врановые показали результаты, сравнимые с приматами.

Результаты всех этих тестов позволили сделать вывод о том, что представители группы врановых способны улавливать логическую структуру задач (Багоцкая и др., 2010). Кроме того, в их сообществах выявлена чрезвычайно сложная социальная структура и общественное поведение (Баккал, 1997; Зорина и др., 1999). Результаты исследований свидетельствуют о наличии у них целого ряда высших когнитивных функций, в том числе и об их способности к счету, употреблению и даже изготовлению орудий труда (Багоцкая и др., 2013; Зорина, Салимов, 1989; Зорина, Обозова, 2011; Зорина, Полетаева, 2002; Hunt, 1996; Hunt, Gray, 2003). Например, Новокаледонский ворон Corvus moneduloides известен чрезвычайной изобретательностью при добывании пищи. Из растительных материалов он делает крюкообразные или штыкообразные приспособления, с помощью которых достаёт из-под коры личинок. Изготовленные орудия ворон может забирать с собой, пользуясь ими в дальнейшем. При изучении поведения животных и их социальной жизни используют обычно телевизионные камеры.

Интересно, что способность к рассудочной деятельности у птиц обеспечивается головным мозгом, существенно отличающимся по организации от мозга млекопитающих. Наиболее значимые различия выявлены в строении больших полушарий птиц и млекопитающих (Обухов, 1999, 2005). Все это позволяет использовать представителей врановых в качестве модельных объектов для изучения структурных основ, особенностей и общих закономерностей становления и развития в ходе эволюции животных и человека высшей нервной деятельности.

1. Баккал С.Н. Поведение помощничества и забота о потомстве у птиц // Русский орнитологический журнал. 1997. № 29. С. 3–17.
2. Багоцкая М.С., Смирнова А.А., Зорина З.А. Врановые способны понимать логическую структуру задач на подтягивание закрепленной на нити приманки // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. 2010. Т. 60. № 5. С. 543–551.
3. Зорина З.А., Салимов Р.М. Оценка способности к решению теста Ревеша-Крушинского у врановых птиц // Ж. высш. нервн. деятельности. 1989. Т. 39. Вып. 6. С. 1056–1060.
4. Зорина З.А., Полетаева И.И. Элементарное мышление животных. М.: Аспект Пресс. 2002. 320 с.
5. Зорина З.А. Обозова Т.А. Новое о мозге и когнитивных способностях птиц // Зоологический журнал. 2011. Т. 90. № 7. С. 784–802.
6. Обухов Д.К. Развитие идей А.А. Заварзина о строении и эволюции экранных центров центральной нервной системы позвоночных и человека на современном этапе // Вестник СПбГУ. 2005. Вып. 3. № 3. С. 52–60.
7. Обухов Д.К. Эволюционная морфология конечного мозга позвоночных. СПб.: Знак. 1999. 202 с.
8. Hunt G.R., Gray R.D. Diversification and cumulative evolution in New Caledonian crow tool manufacture // Proc. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 2003. V. 270. P. 867–874.
9. Hunt G.R. Manufacture and use of hook tools by New Caledonian crows // Nature. 1996. V. 379. P. 249–251.

Многие представители рыб являются незаменимыми модельными объектами для нейробиологических исследований. Рыбы являются крупнейшим классом позвоночных животных и той группой, которая дала начало наземным позвоночным животным, поэтому изучение их нервной системы имеет важное значение для понимания закономерностей эволюции нервной системы у позвоночных в целом. Кроме того, широкая адаптивная радиация среди современных рыб дает возможность исследовать влияние факторов среды на формирование вариантов в структуре разных отделов мозга, оценить уровень воздействия этих факторов на структурно-функциональные параметры нервных центров, их связь с развитием органов чувств. В связи с этими задачами для изучения в качестве модельных объектов отбираются виды рыб из различных филогенетических и экологических групп. В настоящее время для таких исследований используют представителей практически всех основных подклассов и отрядов рыб. Из Хрящевых рыб это в первую очередь акулы – катран Squalus acanthias L. и кошачья акула Scyliorhinus canicula L. Из Костных рыб – данио Danio rerio Hamilton 1822 и сазан Cyprinus carpio Linnaeus, 1758. Широко используют и ряд видов осетровых и лососевых рыб.

Интерес к исследованию центральной нервной системы рыб обусловлен также тем, что они являются удобным объектом для экспериментального исследования процессов постнатального нейрогенеза в нервной системе позвоночных животных. Показано, что в ряде отделов их головного мозга во взрослом состоянии присутствуют пролиферативные зоны, где обнаружены клетки так называемой радиальной глии. Эти клетки в настоящее время рассматриваются в качестве нейрональных предшественников не только в мозге рыб, но и в мозге млекопитающих животных и человека (см. подробнее раздел Постэмбриональное развитие позвоночных).

Использование рыб позволило разработать методические подходы для инструментального анализа структурных изменений в нервной ткани при нормальном развитии центральной нервной системы и при травме. Разработка новых технологий на основе изучения механизмов репарации мозга у различных животных и, в частности, рыб является инновационным подходом, благодаря которому могут быть по-новому оценены факторы, ограничивающие регенерационные возможности мозга млекопитающих и человека, а также найдены новые подходы к лечению повреждений мозга высших животных и человека.

Рыбы успешно используются также и в качестве модельных объектов для изучения воздействия повреждающих факторов окружающей среды на развитие мозга и сенсорные структуры. В первую очередь это относится к исследованиям последствий загрязнения природных водоемов продуктами нефтедобычи и нефтепеработки (мазут, бензин, дизельное топливо). В условиях интенсивного развития нефте- и газодобычи на морских шельфах, а также увеличения загрязнения внутренних водоемов продуктами нефтепереработки эта проблема становиться все более актуальной. Особенно это важно для сохранения видового разнообразия рыб, естественного и искусственного воспроизводства популяций ценных пород рыб (осетровых, лососевых). Полученные в таких исследованиях экспериментальные данные могут быть использованы в качестве тест-показателей степени влияния загрязняющих факторов среды на развитие организмов и стать основой для разработки ГОСТов на предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ для рыбоводческих целей.

1. Обухов Д.К., Пущина Е.В., Вараксин А.А. Регенерация в центральной нервной системе // Международный журнал эксперментального образования. 2015. № 12 часть 1. С. 54–57.
2. Обухов Д.К., Пущина Е.В., Вараксин А.А. Структура пролиферативных зон в ЦНС взрослых позвоночных животных // В сб.: Вопросы морфологии XXI века. Выпуск 4. СПб.: изд. ДЕАН. 2015. Вып. 4. С. 43–51.
3. Pushchina E.V., Obukhov D.K., Varaksin A.A. Structure, сhemoarchitectonics and postembryonic histogenesis of a central nervous system in a teleost fish // Teleosts: Evolutionary Development, Diversity and Behavioral Ecology / Ed. Carone S. New York: Nova Science Publishers Inc., USA. 2014. Ch. 5. P. 97–152.
4. Обухов Д.К., Пущина Е.В., Вараксин А.А. Регенерация в центральной нервной системе: от теории к эксперименту // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 12, часть 1. C. 54–57.
5. Pushchina E.V., Obukhov D.K. Is the brain Cherri salmon Oncorhynchus masou a new model for investigation of postembryonic neurogenesis? // Engineering. 2012. V. 4. Supplement. P. 76–79.
6. Обухов Д.К., Кучеров О.Н., Никоноров С.И., Витвицкая Л.В. Генетико-нейробиологический анализ разноразмерной молоди атлантического лосося, выращиваемой на рыбоводном предприятии // Вопросы ихтиологии. 1988. Т. 28. № 5. С. 782–788.
7. Обухов Д.К., Крючков В.И Исследование влияния нефтяного загрязнения на морфо-функциональное развитие молоди осетровых рыб // Вопр. Рыболовства. 2000. Т. 1. № 4. С. 98–117.
8. Обухов Д.К. Никоноров С.И., Обухова Е.В., Мартынова О.В. Морфо-функциональное исследование развития ЦНС семги, выращиваемой в разных условиях рыбоводных предприятий // Вопросы рыболовства. 2001. Вып. 2. № 6. С. 338–350.

Относительно простые нервные системы многих беспозвоночных животных также оказались весьма эффективными моделями для всесторонних нейробиологических исследований. Этому в значительной степени способствовал открытый в начале прошлого века академиком А.А. Заварзиным принцип структурно-функционального параллелизма развития тканей многоклеточных организмов. Этот принцип стал одним из основополагающих в эволюционной морфологии и физиологи. В его основу легли полученные Заварзиным неоспоримые факты, свидетельствующие о наличии конвергентного сходства в строении функционально аналогичных систем у животных, далеко отстоящих друг от друга в филогенезе. Было показано, что за анатомически несхожими на первый взгляд оптическими центрами насекомых, головоногих моллюсков и позвоночных животных, а также туловищным мозгом позвоночных (спинной мозг) и членистоногих (брюшная нервная цепочка) стоит глубокая функциональная аналогия, проявляющаяся в цитоархитектонике и основных клеточных типах этих нервных структур. Заварзин установил, что спинной мозг и брюшная нервная цепочка демонстрируют сходство в своей нейрональной организации независимо от принадлежности изучаемой формы к тому или иному филогенетическому ряду животных, а только в зависимости от одинаковой высоты их развития, проявляющейся в определенном уровне их функциональных возможностей, что подчеркивает неразрывность в ходе эволюции формы и функции как двух сторон единого биологического процесса. В дальнейшем теория параллелизма академика А.А. Заварзина нашла свое широкое подтверждение не только на разных уровнях организации нервной системы и других функциональных систем многоклеточных организмов, но и на других уровнях живой материи.

Схемы нейрональных отношений в оптических путях разных по уровню организации и систематическому положению животных: А – насекомых по Заварзину, В – птиц по Рамон-и-Кахалу и С – каракатицы по Рамон-и-Кахалу (из Заварзина, 1950).

Синим обозначены нейроны первого оптического ганглия, красным – второго, зеленым – третьего; I, II, III – первый, второй и третьи оптические ганглии, oz – светочувствительные клетки глаз насекомого, a – слой палочек и колбочек в сетчатке птиц, rz – светочувствительные (ретинальные) клетки в глазу каракатицы, остальные обозначения относятся к разным типам нервных клеток их отросткам и связям

В настоящее время наиболее широко используемыми в нейробиологии модельными объектами среди беспозвоночных являются многие представители насекомых, аннелид, ракообразных, брюхоногих моллюсков и планарий. Последние обладают исключительной способностью к регенерации нервной системы и прекрасно выращиваются в лабораторных культурах. Многие представители насекомых имеют высокочувствительные сенсорные системы, способны к полету и ходьбе. Пчелы и муравьи имеют сложную социальную структуру, общественное поведение, особый «язык» общения. Благодаря этому они стали уникальными классическими модельными объектами для исследования не только организации их сенсорных систем, клеточных основ управления и координации процессов ходьбы и полета, но и сложных форм поведения (Свидерский, 1973; Цвиленева, 1977; Плотникова, 1979).

Ценность брюхоногих моллюсков как уникальных по предоставляемым возможностям модельных объектов нейробиологии была осознана только в 50-60-ые годы прошлого века в связи с переоткрытием нейрофизиологами гигантских (достигающих 1000 мкм в диаметре), видных практически невооруженным глазом и доступных для идентификации нейронов в мозге у заднежаберных и легочных моллюсков. Каждый из этих нейронов обладал у разных особей одного вида моллюска характерными только для него свойствами: относительно постоянной локализацией в мозге и зонами иннервации, общей морфологией, электрофизиологическими характеристиками и медиаторной специфичностью. Поэтому «гигантские» нервные клетки было возможно идентифицировать от одного моллюска к другому и изучать свойства одной и той же клетки на разных препаратах. Более того, дальнейшие исследования показали, что идентифицированные нейроны оказались сходны по основными параметрам и функции у видов, относящихся к далеко отстоящим в филогенезе группам гастропод (Сахаров, 1974). Гомологичность этих нервных клеток и возможность их идентификации на разных особях одного вида и даже разных видов моллюсков открыла новые перспективы в изучении нервной системы в целом.

Все это сразу привлекло к гастроподам пристальное внимание широкого круга нейробиологов и наметило два основных направления в изучении их нервной системы: 1 – изучение свойств и механизмов функционирования нервной клетки и ее отдельных элементов и 2 – исследование морфо-функциональной организации нейрональных ансамблей и их звеньев, участвующих в осуществлении рефлекторных актов и основных форм поведения животных. К одним из первых работ по изучению морфологических и физиологических свойств отдельных нервных клеток мозга на примере идентифицированных нейронов центральной нервной системы гастропод относятся исследования висцерального (абдоминального) ганглия морского заднежаберного моллюска аплизии (Arvanitaki, Chalazonitis, 1955; Hyghes, Tauc, 1961 и др.), гигантских нейронов мозга нескольких видов голожаберных (Сахаров, 1965; Dorsett, 1967 и др.) и легочных моллюсков (Kerkut, Walker, 1974). Первые работы по изучению клеточных основ поведения на гастроподах были также предприняты на заднежаберных моллюсках и были связаны с клеточным анализом реакции уплывания от опасности или иначе комплекса фиксированных локомоторных действий у тритонии (Willows, 1971), организации некоторых простых висцеральных рефлексов и защитно-оборонительного поведения у аплизии, проявляющегося, например, в отдергивании сифона и выпускании чернильной жидкости (Кэндел, 1980; Шепперд, 1987 и др.).

Многочисленные исследования, проведенные к настоящему времени на нервной системе отдельных видов брюхоногих моллюсков и все возрастающее привлечение ее к решению широкого круга нейробиологических проблем, подтвердили перспективность и уникальность моллюсков как модельных объектов для выяснения фундаментальных свойств нервной системы. Благодаря исследованиям, проводимым на гастроподах, достигнуты большие успехи в изучении синаптических структур, нейротрансмиттеров и нейромодуляторов и их роли в интегрирующей и координирующей функции нервной системы (Сахаров, 1974, 1990; Дьяконова, 2012 и др.). С помощью гастропод получены принципиально новые данные по клеточным основам обучения и памяти (Кэндел, 1984; Балабан, Захаров, 1992; Гуйнудинова, Чекмарев, 1996 и др.). Составлены схемы организации и выявлен ряд механизмов функционирования нейрональных систем, обеспечивающих локомоцию (Аршавский и др., 1987; Frost, Kater, 1996), пищевое (Hurwitz, Susswein, 1996) и защитно-оборонительное поведение (Максимова, Балабан, 1983; Захаров, 1992), висцерокардиальные и респираторные рефлексы (Журавлев и др., 1994; Moroz, Winlow, 1992), а также принимающих участие в ряде половых актов (Кэндел, 1980) и многое другое.

На представителях легочных наземных улиток и слизней, обладающих хорошим обонянием, успешно изучают организацию и работу хемосенсорных систем и связанных с поступающей от них информацией нервных центров мозга (Chase 1986, 2002; Gelperin, Tank, 1990; Зайцева, 2016). Было показано, что степень развития тентакулярных обонятельных органов и всей обонятельной системы моллюсков связаны не только с филогенетическим положением и общим уровнем организации животного, но в значительной степени со средой его обитания и образом жизни, т.е. со степенью сложности и спецификой решаемых ими задач. В ходе эволюции выход на сушу и усложнение в связи с этим окружающей среды дали мощный толчок к прогрессивному развитию не только периферических, но и центральных отделов обонятельной системы у моллюсков. Это привело к неоднократному и независимому появлению в разных по уровню организации филогенетических группах брюхоногих, ведущих наземный образ жизни, сходной организации обонятельной системы, имеющей целый ряд общих черт с организацией обонятельных систем членистоногих и позвоночных животных и в частности появление, как у насекомых и позвоночных, обонятельных гломерул (Зайцева, 1989, 2000а, 2016; Zaitseva, 1991).

На наземных улитках и слизнях была показана возможность образования экранных центров мозга в ходе филогенеза животных не только на базе зрительной системы, как предполагалось ранее, но и на основе обонятельной системы (Зайцева, 2000а–в, 2016). Однако, это происходит только в том случае, когда последняя в процессе эволюции берет на себя функции ведущей сенсорной системы для ориентации животного в пространстве, что и наблюдается у гастропод. Почти двукратное увеличение числа нейронов в мозге у наземных легочных улиток и слизней за счет развития на базе их обонятельной системы парных процеребральных интегративных центров экранного типа и высокодифференцированная модульная организация последних, несомненно, делают представителей этой группы животных вершиной филогенеза живущих сейчас брюхоногих. Полученные данные заставляют пересмотреть сложившиеся представления об эволюции высших интегративных центров мозга животных и раскрывают возможности процеребрумов моллюсков как перспективной модели не только для изучения механизмов кодирования и обработки обонятельной информации, но и для выяснения организации высших интегративных отделов мозга и их вклада в формирование адаптивного поведения у животных (подробнее об особенностях нервной и сенсорных систем моллюсков можно будет узнать в разделе «Животные»).

Полученные в ходе всех этих многочисленных исследований данные еще раз подтвердили универсальность многих свойств как отдельных нервных элементов, так и всей нервной системы в целом. Это отчетливо прослеживается, например в таких далеко отстоящих в филогенезе группах животных, которыми являются позвоночные, насекомые и брюхоногие и головоногие моллюски.