Найдены нейронные цепи, ответственные за врожденные реакции на запахи

Рис. 1. a — арена для исследования предпочтений запахов у мышей. В одном из углов распыляется вещество, запах которого исследуется. Траекторию движения мыши снимают на видео (b — кадр из такого видео) и анализируют, какую часть времени мышь проводит вблизи от источника запаха. На фото c показано, как работает устройство подачи оптоволоконного кабеля, который прикреплялся к голове мыши. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

На некоторые запахи у животных существуют врожденные реакции, которым не нужно обучаться. Эти запахи могут влиять на такие важные для выживания и размножения животного типы поведения, как питание, спаривание, замирание на месте при появлении опасности или бегство. Даже если животное никогда в жизни не сталкивалось с запахом из этой важной группы, оно отреагирует на него определенным предсказуемым образом. Можно ожидать, что у всех представителей данного вида животных должны быть определенные нейронные пути, отвечающие за такие врожденные реакции. Американские ученые опубликовали работу, в которой описали эти нейронные пути, а также эксперименты по манипуляции такими нейронами. Оказалось, что, управляя работой нейронов, отвечающих за врожденные реакции на определенные запахи, можно влиять на поведение животных. При этом выяснилось, что часть нейронов отвечает за реакцию на привлекательные запахи, а другая часть — на те, что оказывают отталкивающее действие. Активируя нейроны первой группы, можно убедить мышь, что она чувствует приятный запах, из-за чего она будет предпочитать находиться в таком месте, где, по ее ощущениям, есть такой запах. Активация нейронов второй группы, наоборот, заставляет мышей избегать определенного места, как будто там есть запах, вызывающий врожденную реакцию неприятия.

Молекулы, дающие ощущения запаха, распознаются большим количеством рецепторов, присутствующих на нейронах обонятельного эпителия. Нейроны, несущие рецепторы с разной чувствительностью, распределены там беспорядочно. Однако их отростки направляются дальше в строго определенные части обонятельной луковицы, в соответствии со своей специфичностью. В обонятельной луковице происходит первичное упорядочивание информации, связанной с восприятием запахов. Можно предположить, что пути, отвечающие за врожденные реакции на запахи, начинаются где-то в ней. Но из обонятельной луковицы отростки нейронов идут в несколько разных отделов мозга, и нужно определить, какой из них имеет отношение к формированию врожденных реакций.

Когда ученые изучили структуру нервных волокон, идущих от обонятельной луковицы к миндалевидному телу, они обнаружили в них удивительный порядок: для отростков, начинающихся в определенной части обонятельной луковицы, можно было с хорошей точностью предсказать регион миндалевидного тела, в который он придет. Для других отделов, в которые шли отростки от обонятельной луковицы, такого порядка не было: у разных особей отростки из одной части обонятельной луковицы могли прийти в довольно отдаленные части следующего отдела. Получается, что пути от обонятельной луковицы к миндалевидному телу у всех особей сходны, а пути от обонятельной луковицы к другим отделам индивидуальны, и их формирование зависит от жизненных обстоятельств. Такие наблюдения подталкивали к мысли, что пути, отвечающие за врожденные реакции на некоторые запахи, пролегают именно между обонятельной луковицей и миндалевидным телом.

Чтобы проверить это предположение, нужен инструмент для отключения произвольных нейронов. В качестве такого инструмента можно использовать белок галородопсин (Halorhodopsin), способный под действием красного лазера отключать передачу сигнала тем нейроном, в котором он находится. Чтобы ввести этот белок в определенную область мозга, используют модифицированный вирус, который несет ДНК, необходимую для синтеза галородопсина. Вирус можно инъецировать в интересующую нас область мозга, и тогда при помощи красного лазера нейроны в ней можно будет отключить.

Далее, нужно придумать метод оценки реакции животного на запах. В этой работе исследователи оценивали привлекательность запаха по шкале от −100 до +100, где за ноль принималось отсутствие реакции на запах, отрицательные числа соответствовали запахам, которых животные избегали, а положительные — запахам, которые казались им привлекательными. Чтобы получить число, характеризующее запах по такой шкале, мышь помещали в четырехугольную арену (рис. 1). Арена не освещалась, чтобы на поведение мыши оказывало влияние как можно меньше факторов, помимо исследуемого запаха. В одном из углов арены разбрызгивалось вещество, запах которого исследовался. Затем в течение десяти минут передвижения мыши по арене записывались на камеру, и подсчитывалось, сколько времени мышь проводит в каждой из четвертей арены. Индекс привлекательности каждого запаха оценивали как разницу между временем, которое мышь проводила в секторе арены с определенным запахом, и временем, которое она должна была бы там провести, если бы этот сектор ничем не отличался от прочих. Наибольший положительный индекс получал запах, в секторе с которым мышь находилась больше всего времени (рис. 2). И наоборот, запах, при котором мышь реже всего заходила в соответствующий сектор, характеризовался наименьшим (отрицательным) числом.

Рис. 2. Траектории мышей на арене для оценки запахови и их анализ. В правом нижнем углу схемы показано, какой цвет соответствует какому сектору арены, где находилась мышь; красным обозначен сектор, где распылялся запах. Видно, как различаются траектории мыши, когда запаха нет (No odour) или он нейтральный (Isoamyl acetate), когда запах неприятный (TMT) или приятный (2-Phenylethanol). Для каждого запаха обсчитывалось пять мышиных траекторий, каждой из которых соответствует один ряд в прямоугольнике под диаграммой. По горизонтальной оси отложено время. Доля времени, которую мышь проводила в секторе с запахом, определяла, насколько он приятный. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Чтобы исследовать врожденные реакции на запахи, мышам, выращенным в лабораторных условиях, сначала дали оценить запахи, которые были им незнакомы. Большая часть этих запахов была нейтральной — их присутствие никак не привлекало, но и не отталкивало мышей, или же оказывало только слабый эффект. Самый неприятный для мышей запах давало вещество под названием 2,3,5-триметил-3-триазолин (ТМТ) — компонент, содержащийся в выделениях желез некоторых хищников. А арахисовое масло и 2-фенилэтанол (один из компонентов розового масла) показались мышам очень привлекательными (рис. 3). Предпочтение мышами запаха розового масла немного не соответствует нашим теориям о том, что врожденными должны быть только реакции на жизненно важные запахи. Говорить о врожденных эстетических предпочтениях мышей еще несколько преждевременно, однако такой результат в любом случае выглядит интересным.

Рис. 3. Врожденные «оценки» некоторых запахов мышами. Большая часть исследованных веществ не оказывала значительного эффекта на поведение животных, но некоторые вещества (на графике — слева) заставляли мышей избегать области, где чувствовался это запах, а некоторые (на рисунке — справа) — наоборот, привлекали мышей. График из обсуждаемой статьи в Nature

Эти реакции на привлекательные и отталкивающие запахи можно было почти полностью «отключить» у мышей, которым в обонятельную луковицу ввели «выключатель нейронов» галородопсин путем его активации лазером. Чтобы выявить, какие именно нейроны образуют пути, отвечающие за реакции на запахи, исследователи стали отключать области, в которые ведут отростки из обонятельной луковицы. Как уже говорилось, особые надежды они возлагали на миндалевидное тело. И действительно, оказалось, что при отключении отростков нейронов, выходящих из обонятельной луковицы и идущих в миндалевидное тело, врожденные реакции на запахи у мышей исчезали. Они больше не предпочитали часть арены, в которой был запах арахисового масла, и не избегали части, где пахло выделениями хищников. Отключение отростков нейронов, идущих из обонятельной луковицы в другие отделы мозга, такого эффекта не давало. Отключение нейронов самого миндалевидного тела тоже приводило к исчезновению врожденных реакций на запахи. Таким образом, было установлено, что пути, благодаря которым существуют врожденные реакции на некоторые запахи, идут из обонятельной луковицы в миндалевидное тело.

Есть способ отметить нейроны, активные в определенных обстоятельствах, и получить возможность потом управлять их работой. Существует фрагмент ДНК под названием промотор arc (см.: Arc), который может активировать работу гена, перед которым он стоит, если он находится в активных нейронах. Если ввести животному ДНК с таким промотором, после которого стоит некий ген, этот ген будет работать только в активных нейронах. Ген нужно выбрать такой, чтобы в результате его активности поработавшие нейроны можно было обнаружить. В этом исследовании в активных нейронах образовывался канальный родопсин, который позволяет впоследствии «включать» клетки голубым лазером. Таким образом, нейроны, которые поработали при возникновении врожденной реакции, можно было активировать потом в любой момент времени с помощью голубого лазера. Кроме того, в работающих нейронах синтезировался флуоресцентный белок, который позволял увидеть, какие именно нейроны работали в мозге мыши при врожденной реакции на запах.

В результате ученые увидели, что в ответ на привлекательные и отталкивающие запахи активируются разные нейроны (рис. 4). Запуская их с помощью канального родопсина, можно было и без всякого запаха заставить мышь вести себя так, как будто она его чувствует. У мыши, которой давали почувствовать неприятный запах, «помечались» канальным родопсином нейроны, ответственные за реакцию на неприятные запахи. Посветив на такую мышь голубым лазером, можно было создать у нее чувство, что она снова чувствует неприятный запах. Если в одном из секторов арены работал голубой лазер, мышь начинала избегать его точно так же, как будто чувствовала там запах выделений хищников. И наоборот, у мышей, которым «пометили» канальным родопсином нейроны, отвечающие за врожденную привлекательность некоторых запахов, можно было с помощью голубого лазера создать ощущение, что они снова его чувствуют. Такие мыши, наоборот, с удовольствием проводили время в части арены, где работал голубой лазер, как будто там пахло арахисовым маслом.

Рис. 4. Активные нейроны (зеленые прожилки) миндалевидного тела мышей при врожденной реакции на неприятный запах (ТМТ), нейтральный запах (Isoamyl acetate) и приятный запах (2-Phenylethanol). Верхний ряд — изображения из передней части миндалевидного тела, нижний — из задней. Длина масштабного отрезка 100 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Врожденные реакции, общие для всех животных одного вида, удобно изучать: для этого нужно искать стабильные нейронные контуры, которые присутствуют у всех особей. С помощью современных генно-инженерных методов наиболее простые реакции удается контролировать. В данном исследовании были обнаружены и поставлены под контроль нейроны приятных и неприятных запахов, работа которых очень важна для многих жизненно важных реакций. Такие исследования позволяют больше узнать о принципах строения нашей нервной системы. Так, наиболее важные и базовые реакции, как правило, осуществляются по простым схемам, в которых минимизировано число возможностей для ошибки. В этой работе было показано, что за врожденные реакции на запахи отвечают простые прямые связи между обонятельной луковицей и миндалевидным телом, а никакие другие отделы мозга, по-видимому, в таких реакциях не задействованы.

Могут ли такие исследования найти практические применения? Например, можно представить себе зоопарки будущего, в которых неопасные животные передвигаются свободно, но под контролем оптогенетических систем. Или питомцев, которые привязаны к дому хозяина, потому что им кажется, что там пахнет приятнее всего. Как бы то ни было, чем больше мы узнаем о природе, тем больше новых интересных возможностей у нас возникает.

Источник: C. M. Root, C. A. Denny, R. Hen, R. Axel. The participation of cortical amygdala in innate, odour-driven behaviour // Nature. Published online 05 November 2014. DOI: 10.1038/nature13897

Юлия Кондратенко