Слепая мексиканская пещерная рыба живёт в темноте так долго, что потеряла глаза и окраску тела. Новое исследование показывает: вместе с внешностью изменилась и работа её мозга. Учёные выяснили, что эволюция не создала для такой жизни «новый» мозг, а перенастроила уже существующие нервные цепи, связанные со светом, движением и дофамином.
Рыба, которая помогает понять работу мозга
Исследование провели специалисты Флоридского Атлантического университета (Florida Atlantic University) и их коллеги. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Моделью стала мексиканская тетра Astyanax mexicanus. У этого вида есть две формы: зрячие рыбы, живущие у поверхности, и слепые пещерные популяции, которые независимо друг от друга приспособились к жизни без света. Это делает вид особенно удобным для изучения эволюции: исследователи могут сравнивать близких животных, у которых одна и та же биологическая основа привела к разному поведению.
Как свет меняет поведение
Учёные сравнили, как поверхностные и пещерные рыбы реагируют на свет и темноту. У зрячих рыб внезапная темнота вызывала усиление движения: вероятно, так они пытаются найти освещённое место, где легче ориентироваться и добывать пищу.
У пещерных рыб реакция оказалась противоположной. Они становились особенно активными при воздействии света. Такое поведение называется фотокинезом — изменением скорости движения или общей активности под влиянием освещения. В данном случае речь идёт о фотокинезе, вызванном светом.
Для пещерной рыбы свет может означать опасность. Освещённые участки у входов в пещеры связаны с хищниками и менее подходящими условиями. Поэтому резкое усиление движения при свете может помогать рыбе быстрее уйти обратно в темноту.
Мозг не заменили, а перенастроили
Чтобы увидеть, что происходит в мозге, исследователи использовали генетически изменённых рыб с флуоресцентными маркерами в нейронах. Нейроны — это нервные клетки, которые передают сигналы. Когда такие клетки активируются, маркеры позволяют наблюдать их работу под специальным микроскопом.
Так учёные смогли проследить активность всего мозга живой рыбы почти в реальном времени и с высоким клеточным разрешением. Они увидели, что у поверхностных рыб одни и те же нервные клетки реагируют на темноту, а у пещерных — на свет.
Старший автор исследования Эрик Р. Дюбуэ (Erik R. Duboué) отметил, что это указывает на важный принцип: эволюция может использовать уже существующие нейронные цепи, но менять их назначение. Проще говоря, мозг не строится заново — он «переподключает» старые маршруты под новые условия жизни.
Почему важен дофамин
Особое внимание исследователи уделили дофамину. Дофамин — это сигнальная молекула мозга, которая участвует в движении, мотивации, обучении, внимании и реакции на значимые события. Нарушения дофаминовой передачи связаны с рядом заболеваний нервной системы и психики.
В работе показано, что дофаминовые пути участвуют в новой световой реакции пещерных рыб. Это означает, что адаптация к темноте затронула не только органы чувств, но и более глубокие системы мозга, которые помогают связывать внешний сигнал с поведением.
Исследователи также обнаружили изменения в области мозга, называемой задним бугорком, и описали ранее неизвестный тип нервных клеток, связанный с этим поведением.
Поведение оказалось наследуемым
Команда дополнительно скрещивала поверхностных и пещерных рыб. У гибридного потомства реакции на свет и темноту различались: одни рыбы были ближе к поверхностной форме, другие — к пещерной.
Это говорит о том, что склонность становиться активнее при свете или в темноте частично заложена в геноме. Геном — это полный набор наследственной информации организма. В дальнейшем учёные планируют искать конкретные гены и механизмы развития, которые отвечают за такую перестройку нервных цепей.
Зачем это нужно человеку
Пещерная рыба — не модель человеческой болезни в прямом смысле. Но у позвоночных многие базовые пути мозга устроены сходным образом. Это касается обработки сенсорной информации, управления движением и дофаминовой передачи.
Поэтому такие исследования помогают понять общие принципы: как мозг связывает сигнал из окружающей среды с действием, как меняется чувствительность нервных цепей и как поведение может перестраиваться в ходе эволюции.
Эти знания могут быть полезны для фундаментального понимания состояний, при которых нарушены обработка сенсорных сигналов или дофаминовая регуляция. К таким состояниям относятся, например, болезнь Паркинсона, шизофрения, расстройства аутистического спектра и синдром дефицита внимания с гиперактивностью. Это не значит, что исследование пещерных рыб сразу приведёт к лечению этих заболеваний, но оно даёт биологам и врачам более точную карту того, как могут работать древние нервные механизмы.
О том, почему дофаминовая система остаётся одной из ключевых тем современной нейронауки, ранее рассказывал материал о возможном подходе к лечению дисбаланса дофамина в мозге.
Литература
Kozol R. A., Canavan A., Tolentino B., Keene A. C., Kowalko J. E., Duboué E. R. Evolution of a central dopamine circuit underlies adaptation of a light-evoked sensorimotor response in the blind cavefish // Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adv3770.