Введение к работе
Актуальность проблемы
Известно, что даже небольшие изменения в организации нейронной сети могут приводить к значительным изменениям в поведении животного (Katz and Harris-Warrick, 1999). Изучая то, как у таксономически близких видов организованы нейронные сети, контролирующие одни и те же виды поведения, и сравнивая между собой различия в функционировании этих сетей, можно понять общие принципы строения и эволюции нервной системы (Arbas et al., 1991; Katz,1991; Paul, 1991; Katz and Harris-Warrick, 1999). В свое время сравнительная анатомия обеспечила колоссальный вклад в развитие теоретической и эволюционной биологии. Сравнительная нейроэтология в наше время помогает понять, каким образом в процессе эволюции осуществлялось развитие тех или иных нейронных механизмов, приведших в итоге к возникновению сознания.
Одной из основ сравнительной нейробиологии является понятие о гомологичных нейронах (Сахаров, 1974; Weiss and Kupfermann, 1976; Granzow and Rowell, 1981; Pentreath et al., 1982; Croll, 1987). Вообще, гомологичными называются структуры, связанные общностью происхождения, т.е. восходящие к одной и той же предковой структуре (Сахаров, 1974). Однако, несмотря на наличие множества общих признаков у гомологичных нейронов беспозвоночных, детали их функционирования зачастую различаются, что отражает эволюционные приспособления поведения к разным условиям существования. Таким образом, сравнивая между собой гомологичные нейронные сети не только у представителей одной таксономической группы, но и у животных, находящихся на разных ступенях эволюционного развития, мы можем проследить, как эволюционный процесс «апробирует» разные модели организации нейронной сети и затем закрепляет наиболее удачные схемы.
Неоднократно подчеркивалось, что моллюски являются прекрасным объектом для изучения нейронных механизмов поведения. Главными достоинствами этого объекта являются сравнительно просто устроенная нервная система и наличие стереотипных, четко различимых между собой типов поведения. Все это дает уникальную возможность проследить, как изменения в функционировании нейронов (в том числе на клеточном и молекулярно-генетических уровнях) отражаются в поведении целого животного. Подобная задача до сих пор трудно реализуема на позвоночных животных. Другим, неоправданно редко упоминаемым достоинством моллюсков как объекта нейробиологических исследований является возможность работы на так называемом полуинтактном препарате. Полуинтактный препарат представляет собой зачастую целое животное, в необходимой степени зафиксированное и отпрепарированное таким образом, чтобы обеспечить доступ к ЦНС. С одной стороны, такой препарат предоставляет исследователю прекрасную возможность внутриклеточной регистрации и стимуляции нейронов, а с другой, позволяет наблюдать элементы целостного поведения и проводить адекватную сенсорную стимуляцию животного.
Одним из основных постулатов, лежащих в основе исследований нервной системы беспозвоночных животных, является тезис о том, что фундаментальные механизмы развития и функционирования нервной системы остаются схожими от вида к виду в процессе эволюции. Как пишут С. Куффлер и Дж. Николлс в предисловии к первому изданию своей книги «От нейрона к мозгу», «… в мозге всех исследованных животных существует четкое единообразие принципов нейронной организации. Таким образом, при известном везении примеры из лобстера или пиявки будут иметь отношение к нашей собственной нервной системе» (Kuffler and Nicholls, 1976).
В то же время, как справедливо замечает Николлс в последнем издании своей книги, «не все работы, выполняемые на ЦНС беспозвоночных, непременно имеют цель понять механизмы работы мозга человека» (Николлс и др., 2008). Понять то, каким образом сравнительно простая нервная система контролирует зачастую очень сложное поведение, обеспечивающее выживание особи в непростых условиях окружающей среды, само по себе является чрезвычайно интересной и важной задачей.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы было изучение не описанных ранее нейронных механизмов поведения крылоногого моллюска Clione limacinа L., наземной улитки Helix lucorum L. и проведение сравнительного нейрофизиологического анализа найденных механизмов путем сопоставления с уже известными нервными механизмами аналогичных типов поведения у других брюхоногих моллюсков. Согласно вышеопределенной цели исследования были сформулированы следующие задачи:
-
Изучить нейронные механизмы скоординированной активности трех различных структур, вовлеченных в пищевое поведение Clione limacina.
-
Изучить принципы нейронной регуляции активности сердечно-сосудистой системы Clione при разных типах поведения, требующих разнонаправленных изменений в работе сердечно-сосудистой системы.
-
Провести анализ нейронной сети, лежащей в основе пассивно-оборонительного поведения виноградной улитки.
Научная новизна исследования
Впервые описаны нейронные сети, контролирующие движение уникальных структур буккального аппарата гимносомат – крючков. Описаны нейронные механизмы, лежащие в основе фазовозависимой координации активности крючков и радулы во время пищевого поведения Clione. В работе был применен принципиально новый подход, заключающийся в том, что, используя данные об организации мотонейронной сети, иннервирующей исследуемую анатомическую структуру, можно сделать вывод об эволюционном происхождении этой структуры. Полученные поведенческие и нейрофизиологические данные об активности радулы и крючков у Clione в сравнении с соответствующими данными об активности радулы и челюстей у родственных видов моллюсков указывают на то, что более вероятным эволюционным сценарием является происхождение крючков у Clione от маргинальных зубов радулы, нежели от челюстей, причем этом вывод совпадает с результатами сравнительно-морфологических исследований.
Впервые описан новый элемент нейронных механизмов пищевого поведения моллюсков, представленный активацией ресничного эпителия в пищеводе Clione идентифицированными нами пептидергическими буккальными нейронами. Описана новая функция для гигантских церебральных серотониновых клеток (существующих у всех изученных видов брюхоногих) – серотонинергическая регуляция активности ресничного эпителия в пищеводе Clione.
В плевральных ганглиях виноградной улитки были впервые идентифицированы первично-сенсорные нейроны, опосредующие передачу тактильной информации в нейронной сети оборонительного поведения виноградной улитки, что долгие годы являлось недостающим звеном при исследовании нейронных механизмов пластичности оборонительного поведения на этом объекте.
Впервые показано, что амплитуда кальциевых сигналов, сопровождающих высокоамплитудные ВПСП в командных нейронах виноградной улитки, линейно зависит от силы синаптической стимуляции, в то время как динамика изменения амплитуды самих ВПСП при увеличении силы стимуляции демонстрирует выраженное насыщение.
Научно-теоретическое и практическое значение работы
В настоящей работе предложен новый метод определения эволюционного происхождения анатомических структур, основанный на анализе иннервирующих их нейронных сетей и сопоставлении с данными о структурах соответствующих нейронных сетей, полученных на родственных видах животных.
Виноградная улитка Helix lucorum является широко используемым объектом для изучения нейронных механизмов поведения и, в особенности, механизмов пластичности поведения. Идентифицированные в настоящей работе нейроны и синаптические связи в цепи оборонительного поведения виноградной улитки в настоящее время широко используются исследователями в качестве модели для изучения нейронных механизмов обучения и памяти.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Используя данные об организации нейронной сети, иннервирующей данную анатомическую структуру, можно сделать вывод о ее эволюционном происхождении. Собрав вместе поведенческие и нейрофизиологические данные о механизмах контроля активности радулы и крючков у Clione и сравнивая их с соответствующими данными об активности радулы и челюстей у аплизии, мы склоняемся к выводу, что более вероятным эволюционным сценарием является происхождение крючков у Clione от маргинальных зубов радулы, нежели от челюстей.
-
Один и тот же гомологичный идентифицирумый нейрон у эволюционно близких видов демонстрирует командный или модуляторный принцип управления нейронной сетью в зависимости от степени стереотипности поведения, в контроль которого он вовлечен.
-
Один и тот же нейропептид может быть задействован в нейронных механизмах совершенно разных и зачастую функционально противоположных типов поведения у разных представителей одной и той же таксономической группы животных, в то время как роль «классических» медиаторов в нервном контроле поведения более консервативна.
Апробация работы
Материалы диссертации многократно докладывались на отечественных и международных симпозиумах и конференциях.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 18 статей в реферируемых журналах, из них 3 в отечественных и 15 в международных журналах.
Структура и объем работы
