Разбудите во мне зверя: оптогенетика превратила мышей в хищников

Как получить мышь-оборотня с помощью вирусов и лазера, кто угрожает птенцам эндемиков архипелага Тристан-да-Кунья, какие кровожадные мыши существуют в природе и на каких нейронных механизмах основана работа инстинкта хищников, рассказывает Indicator.Ru.

В отличие от крыс, мыши представляются нам мирными существами, которые питаются семенами, любят сыр и могут погрызть мыло у нас на даче. Но то, что многим кажется непоколебимыми основами миропорядка, можно изменить. «Бородатая» шутка «Не будите во мне зверя. – А мы хомячков не боимся!» обретает новое звучание. Ученые из Йельского университета продемонстрировали, что грызуна, чьи челюсти используются для поедания зернышек, можно превратить в грозного консумента второго порядка, убивающего жертву одним укусом, если включить его «инстинкт хищника». Смысл исследовательской работы, опубликованной в журнале Cell, конечно, не в том, чтобы создать армию кровожадных мышей или пошатнуть основы мироздания, поменяв местами хищников и жертв. На самом деле с помощью этого эксперимента была определена сеть нейронов, которая отвечает за преследование добычи.

Мыши-оборотни

Если поискать ролики, где мышь кого-то ест, скорее можно наткнуться на обратную ситуацию: самих мышей поедают и тарантулы, и многоножки, и даже куры. А теперь представьте обычных мышек, которые ходят по клетке и ничем не выдают себя. Но стоит включить лазер, как все они превращаются в «зомби», которые, как в сериале «Ходячие мертвецы», начинают преследовать и кусать все на своем пути, даже палочки и крышки от бутылок.

«Мы включили лазер, и они стали прыгать на объекты, хватать их лапками и энергично кусать, как если бы они пытались схватить и убить добычу», — так описывает мышиные метаморфозы глава исследовательской группы Иван де Аруджо, доцент психиатрии Медицинской школы Йельского университета из лаборатории имени Джона Пирса.

Каков же механизм, заставивший лабораторных мышей забыть о своих обычных поведенческих моделях и начать нападать на все подряд? Словно оборотни из страшилок под лучом полной луны, эти грызуны начинают проявлять хищные повадки под воздействием света. Но не спешите разбивать лампочку в подвале, ведь обычные мыши не превратятся в свирепых и безжалостных убийц просто так.

Единственное известное исключение — гигантские потомки мышей, случайно завезенных на кораблях с острова Гоф (архипелаг Тристан-да-Кунья, Атлантический океан), которые питаются птенцами эндемичной певчей птички, гофской овсянки-роветтии, и крупных морских альбатросов и буревестников – только подтверждает правило. Расплодившиеся в отсутствии естественных врагов грызуны были вынуждены найти новый источник пищи, а чем еще можно поживиться на острове, где гнездятся огромные количества морских птиц? Но даже эти мыши не убивают птенцов (родители которых, кстати, могут весить больше хищников в целых 300 раз), а просто откусывают от них кусочки, съедая заживо (хотя, конечно, звучит и выглядит это не менее жутко, да и ущерб популяции величественных птиц грызуны наносят немалый).

Оптогенетика: «лампочки в голове»

Найти области мозга, включающие охотничьи инстинкты животных, помогла оптогенетика — новый метод контроля над импульсами внутри живого организма с помощью света. Возможности этого подхода впечатляют: электрохимические импульсы — это и есть сообщение между нейронами, так что, контролируя их, можно вмешиваться в работу мозга, стирая и меняя воспоминания и управляя эмоциями.

Оптогенетика может также приводить в движение мышцы (как это работает, например, у ската-киборга, о котором Indicator.Ru писал в своем обзоре) и помогать восстановлению зрения, ведь белки, на действии которых основан метод, особые опсины (в данном случае им стал каналородопсин 2, в природе помогающий плыть на свет хламидомонаде Рейнгарда), родственны тем, которые находятся у нас в колбочках и палочках глаз. Доставщиками специальных опсинов (точнее, кодирующих их генов) в клетку служат векторы — безобидные вирусы, которые встраивают нужный участок ДНК в ДНК клетки. Находясь в мембране, они меняют свою форму, реагируя на свет определенной длины волны, и пропускают внутрь клетки положительно заряженные ионы, из-за чего меняется соотношение зарядов внутри и снаружи. В результате образуется разница потенциалов и возникает электрохимический сигнал, который активирует цепочки и сети нервных клеток.

Избирательно манипулируя разными типами нейронов, ученые нашли группу, которая отвечает за преследование добычи, и еще одну, отвечающую за убийство жертв. В роли добычи выступали не только неживые объекты, такие как палочки, крышки от бутылок, двигающиеся игрушечные жуки, но и живые насекомые (сверчки).

Ученые также попробовали избирательно разрывать связи между нейронами каждого типа и обнаружили, что без работы «кусательного» механизма мыши преследуют добычу, но убить ее не могут. Сила укуса их челюстей в этом случае снижается на 50%, и новоиспеченные горе-охотники не способны совершить тот самый смертельный укус, которым настоящие хищники убивают добычу почти мгновенно.

Где дремал инстинкт хищника

Возможно, преодолеть ту же проблему не могут и инвазионные мыши на острове Гоф, именно поэтому они практически съедают заживо птенцов альбатросов. Однако птенцы не убегают и оказать сильное сопротивление не могут, чего, например, вполне можно ожидать от антилопы гну или оленя, мощные рога и копыта которых не оставляли шансов наесться слабому или нерасторопному хищнику. Тем самым они стимулируют естественный отбор, который и подхлестнул волков, львов и других охотников научиться убивать быстро, желательно с одного укуса, ведь второй попытки может и не представиться.

А вот у мышей из Лаборатории имени Джона Пирса, если на них светят лазером, эти системы активированы, как у настоящих хищников. Находятся системы в миндалевидных телах — двух группах ядер, или скоплений нейронов, в височных долях головного мозга. Эти области тесно связаны с формированием эмоций, причем не только отрицательных, как страх и агрессия, но и удовольствия, и входят в лимбическую систему, которая отвечает за приспособление организма к условиям внешней среды. Неправильная работа или повреждение миндалин — возможная причина повышенной тревожности, депрессии, посттравматического стрессового расстройства и даже аутизма. Примечательно, что миндалевидные тела довольно сильно отличаются у мужчин и женщин, а у людей гомосексуальной ориентации строение этих областей больше напоминает таковое у людей противоположного пола. Мужские миндалевидные тела крупнее, и при стрессовых стимулах (включая просмотр ужастиков) активируется левая, вызывая действия в ответ на эмоции, тогда как у женщин – правая. Забавно, что связь миндалины с охотничьими инстинктами напоминает о старых как мир стереотипах о мужчине-охотнике и добытчике.

Сейчас ученые пытаются понять, какая информация от органов чувств поступает в миндалевидное тело, чтобы определить, что запускает механизмы поведения хищника и как координируются две группы нейронов, одна из которых отвечает за укус, а другая — за преследование. «Мы получили контроль над их анатомическим воплощением, поэтому мы надеемся, что в будущем сможем управлять ими еще точнее», — сообщает де Араджо.

Голодные игры

Интересно, что животные не кусали при этом своих сородичей, хотя известны корреляции активности миндалевидного тела с уровнем агрессивности. «Система не просто усиливает агрессию, — поясняют авторы работы. — Судя по всему, она связана с интересом животного к получению пищи». А вот голод оказался связанным с охотничьими инстинктами и заставлял мышей активнее преследовать добычу.

В природе поведение хищников часто принимает сложные и комплексные формы, которые свойственны многим челюстноротым (инфратип Gnathostomata, включающий надклассы рыб и четвероногих), включая людей. «Это главный эволюционный игрок в формировании мозга, — отмечает де Араджо. — Там должен быть зачаточный подкорковый путь, который соединяет сигналы, поступающие от органов чувств, с движением челюстей и кусанием».

Исследование выросло из попыток ученых понять, какие нейронные механизмы отвечают за питание животных. Сотрудники лаборатории наблюдали за тем, как мыши живут в клетках и как едят. Это и привело их к идее заняться изучением областей мозга, связанных с охотой и питанием. В этом списке много зон, но одна отвечает только за охоту, а не просто за питание в целом. Это и оказалась то самое центральное ядро миндалины, которое также может руководить мускулами челюстей и шеи, задействованными в охоте. По мнению авторов исследования, эта область идеально подходит для «включения» системы движений, характерных для охоты у челюстноротых позвоночных.