Насекомые ощущают удовольствие с помощью дофамина, как и млекопитающие

Мухи, в системе подкрепления которых отсутствует октопамин, получают удовольствие от сладкой и питательной сахарозы и не получают его от сладкой, но не питательной арабинозы

Рис. 1. Мухи, в системе подкрепления которых отсутствует октопамин, получают удовольствие от сладкой и питательной сахарозы и не получают его от сладкой, но не питательной арабинозы. По вертикальной оси — индекс предпочтения нейтрального запаха, предъявлявшегося одновременно с пищей. Красные столбики — «безоктопаминовые» мухи, черные, серые и белые столбики — разные виды контрольных мух. Звездочками здесь и далее отмечены достоверные различия с контролем. Видно, что безоктопаминовые мухи стремятся (так же, как и контрольные) к запаху, связанному с сахарозой, и равнодушны (в отличие от контрольных) к запаху, связанному с арабинозой. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Долгое время считалось, что насекомые, в отличие от млекопитающих, получают удовольствие за счет медиатора октопамина, а не дофамина. Однако в последнее время начали появляться данные о том, что это не так и дофамин играет в системе вознаграждения насекомых примерно ту же роль, что и у млекопитающих. Несколько убедительных свидетельств этого были представлены недавно американо-английским коллективом ученых.

Система вознаграждения — это нейронные структуры, которые регулируют поведение с помощью приятных ощущений (вознаграждений). Иными словами, из-за того, что какие-то вещи живое существо воспринимает как приятные, оно меняет свое поведение так, чтобы этих приятных вещей добиться.

Изначально приятным для организма является то, что способствует выживанию этого организма и вида в целом, прежде всего еда и копуляция. То, что помогает достижению этих первичных наград, тоже воспринимается как приятное и тоже вызывает активацию системы вознаграждения. Например, немного примитивизируя, можно сказать, что люди так любят деньги потому, что деньги гарантируют их обладателю хорошее питание и повышают его шансы на сексуальный успех. Поэтому поведение многих людей изменяется таким образом, чтобы заработать как можно больше денег, и во многом это происходит благодаря системе вознаграждения.

Работа системы вознаграждения тесно связана с возникновением условных рефлексов. Возьмем классический эксперимент Павлова. У собаки вырабатывают рефлекс, приучая ее к тому, что перед тем, как ей дадут пищу, прозвенит звонок. В результате уже при звоне звонка у животного начинает выделяться слюна, и звонку этому собака радуется так же, как и еде, — то есть она начинает воспринимать нейтральный стимул (звонок) как вознаграждение.

Cовершенно очевидно, что система вознаграждения играет огромную роль в процессах обучения, возникновения ассоциаций, распознавания и возникновения памяти. Та же собака для того, чтобы полюбить звонок, должна была сначала научиться распознавать его, ассоциировать с появлением пищи и, наконец, запомнить.

Очень сильно упрощая, систему вознаграждения можно представить просто как разветвленную цепочку нейронов, передающих друг другу сигналы с помощью тех или иных нейромедиаторов. В зависимости от того, что за медиатор используется и какие рецепторы к нему присутствуют у следующего в цепочке нейрона, сигнал может быть возбуждающим или тормозным.

У млекопитающих система вознаграждения подробно исследована, в том числе хорошо известно, что основной ее медиатор — дофамин. Иными словами, при передаче сигналов в цепочке нейронов ключевую роль играют сигналы, передаваемые с помощью дофамина. Даже просто возбуждение дофаминовых нейронов в соответствующей области мозга будет доставлять организму удовольствие. Например, условные рефлексы у собаки вырабатываются не только на пищу, но и на непосредственное возбуждение этих нейронов.

Однако как организована система вознаграждения у других видов живых существ, например у насекомых, известно гораздо хуже. До недавнего времени считалось, что вместо дофамина в системе вознаграждения насекомых используется другой медиатор — октопамин (см. octopamine). Только недавно начали появляться данные, свидетельствующие о том, что и дофамин там играет немалую роль. Группа исследователей из США и Великобритании подробно изучила роль этих двух медиаторов в системе вознаграждения плодовой мушки дрозофилы и показала, что дофамин для этой системы едва ли не более важен, чем октопамин.

Чтобы выяснить, какую роль играет какое-то вещество в каком-то процессе, иногда достаточно просто посмотреть, как будет протекать процесс без этого вещества. Поэтому первым делом исследователи убрали октопамин из нейронов системы вознаграждения, выключив его синтез в этих нейронах с помощью замечательной методики под названием GAL4/UAS, которая благодаря сложным генетическим манипуляциям позволяет избирательно включать и выключать необходимые гены в той или иной, сколь угодно малой, популяции клеток.

Теперь надо было посмотреть, как же изменится работа системы вознаграждения «безоктопаминовых» мух. Для этого ученые провели эксперимент, в котором предъявляли мухам еду (в данном случае сахарозу) одновременно с неким нейтральным запахом, а затем смотрели, выработается ли у насекомых условный рефлекс на этот запах, начнут ли они воспринимать его как нечто приятное и лететь по направлению к его источнику. (Данный запах будет таким же вторичным вознаграждением для мух, как деньги в вышеприведенных примерах для людей или звонки — для собак.) Если мухи будут выбирать этот запах — значит, система вознаграждения у них работает нормально. Если нет — значит, в этой системе возникли перебои, и теперь надо выяснять, что именно в ней разладилось.

Абсолютно логично было предположить, что в отсутствие октопамина вся работа системы вознаграждения пойдет наперекосяк и никакой такой повышенной любви к нейтральному запаху мухи показывать не будут. Но не тут-то было! К изумлению ученых оказалось, что достоверных различий между безоктопаминовыми и контрольными мухами в этих тестах нет (рис. 1, левый график).

Неужели все предыдущие исследования, свидетельствующие о важной роли октопамина в работе системы подкрепления, оказались неверными? Нет, это было крайне маловероятно: слишком много было этих исследований и слишком достоверны были их результаты. Поэтому ученые предположили, что дело тут в более тонких вещах.

У пищи есть множество характеристик, главные из которых — вкус и питательная ценность. Что если каждая из этих характеристик оценивается системой вознаграждения по отдельности? Например, сладкий вкус ощущается как приятный с помощью октопамина, а питательность воспринимается как вознаграждение безо всякого участия этого медиатора? В этом случае, получив в качестве первичной награды питательную и сладкую сахарозу, безоктопаминовые мухи, пусть и не разберутся, насколько приятен сладкий вкус этой пищи, всё же получат достаточно положительных эмоций в связи с ее питательной ценностью и полетят в направлении связанного с ней запаха. Если же им предложить какую-нибудь непитательную пищу, то они, какой бы сладкой она ни была, не получат от нее никакого удовольствия и к связанному с нею запаху тоже останутся равнодушны.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели аналогичный предыдущему эксперимент, но уже не с сахарозой, а с арабинозой — сладкой, но не питательной для мух пищей. И — да! — безоктопаминовые мухи безо всякого пыла реагировали как на арабинозу, так и на связанный с нею запах (рис. 1, правый график). Это означало, что приятность сладкого вкуса у этих насекомых определяет именно октопамин, а вот питательность пищи оценивается каким-то другим способом.

Теперь надо было понять, что именно дает мухам «октопаминовое удовольствие». Может ли октопамин сам по себе, без помощи других медиаторов, вызвать у мухи любовь к тому или иному вторичному вознаграждению аналогично тому, как это делает дофамин у млекопитающих? Или октопаминовое удовольствие — это всего лишь одна из не самых важных шестеренок в сложно устроенной системе вознаграждения?

Узнать это довольно просто. Ученые создали (опять же, на основе GAL4/UAS-методики) линию мух, у которых октопаминовые нейроны возбуждались при температуре выше 25°C. Этим мухам предъявляли некий нейтральный запах, активировали (при помощи повышения окружающей температуры) октопаминовые нейроны, а затем проверяли, полюбят ли насекомые этот запах или останутся к нему равнодушны.

Вначале всё шло замечательно: мухи, протестированные через три минуты после активации октопаминовых нейронов, прекрасно запоминали нейтральный запах и летели в направлении его источника. Однако довольно быстро любовь к этому запаху стиралась из памяти насекомых и уже через три часа после активации октопаминовых нейронов полностью сходила на нет (рис. 2). Это означало, что октопамин действительно играет некую роль в выработке условных рефлексов и возникновении памяти, но роль эта краткосрочная, и без поддержания с помощью каких-то других механизмов все произошедшие в мушиной нервной системе изменения исчезают без следа.

Октопамин обеспечивает только кратковременное запоминание стимулов, связанных с получением вознаграждения

Рис. 2. Октопамин обеспечивает только кратковременное запоминание стимулов, связанных с получением вознаграждения. Мухам предъявляли нейтральный запах, возбуждали им октопаминовые нейроны, а затем, через 3 минуты, 30 минут и 3 часа проверяли, будут ли они лететь к этому запаху. Зеленые столбики — мухи, у которых были возбуждены октопаминовые нейроны системы вознаграждения, черные, серые и белые — контроль, у которого эти нейроны не возбуждали. Видно, что уже через три часа мухи начисто забывают, что нейтральный запах был связан с получением удовольствия, и совершенно к нему не стремятся. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Что же это за механизмы поддержки, благодаря которым память мух не стирается в течение нескольких часов? Ученые предположили, что механизмы эти опосредуются тем самым дофамином, который играет такую важную роль в системе вознаграждения млекопитающих, и смогли получить целый ряд подтверждений этому предположению (рис. 3).

Доказательства того, что дофамин в системе вознаграждения дрозофилы «выше по чину», чем октопамин

Рис. 3. Доказательства того, что дофамин в системе вознаграждения дрозофилы «выше по чину», чем октопамин.

а — мухи, лишенные одного из рецепторов к дофамину, не вырабатывают условный рефлекс на нейтральный запах при возбуждении октопаминовых нейронов. Все столбики, кроме зеленого, — мухи, лишенные одного из дофаминовых рецепторов (dumb1). Желтый и зеленый столбики — мухи, у которых проводилось возбуждение октопаминовых нейронов. Три левых столбика — контроль. Видно, что отсутствие дофаминового рецептора не дает мухам получить удовольствие от возбуждения октопаминовых нейронов и запомнить связанный с этим запах. b — Обратная ситуация. Полное отсутствие в нервной системе октопамина никак не влияет на способность мух получить удовольствие от возбуждения дофаминовых нейронов системы вознаграждения и запомнить связанный с этим запах. Все столбики, кроме ярко-оранжевого — мухи, у которых полностью выключен синтез октопамина (Tbh). Светло-оранжевый и ярко-оранжевый столбики — мухи, у которых проводилось возбуждение дофаминовых нейронов. Три левых столбика — контроль. Обратите внимание, что шкалы на графиках (a) и (b) имеют разный масштаб, и мухи показывают гораздо более высокий индекс предпочтения при возбуждении дофаминовых нейронов, чем октопаминовых. Видимо, возбуждение дофаминовых нейронов доставляет насекомым гораздо больше удовольствия.

c, d — дофамин отвечает за восприятие и сладкого вкуса пищи, и ее питательности. Блокировка пула дофаминовых нейронов системы вознаграждения полностью лишает мух удовольствия от поедания арабинозы (c) и сильно уменьшает его при поедании сахарозы (d).

Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Хорошо, но зачем же тогда вообще нужен октопамин? Только ли это «шестеренка», передающая информацию дофаминовым нейронам, или нечто большее?

Оказалось, что у октопамина есть своя важная функция. Дело в том, что, как все, наверное, знают из собственного опыта, в голодном и сытом состоянии пища доставляет совершенно разное удовольствие. Судя по всему, у мух именно октопамин определяет, какое удовольствие доставляет пища сытому организму. По крайней мере, мухи, мутантные по гену одного из октопаминовых рецепторов, неспособны были запомнить предъявляемый одновременно с пищей запах в сытом состоянии, но без проблем запоминали его, если были голодны. Это хорошо согласуется с тем, что с помощью октопамина оценивается вкус пищи, а не ее питательность — ведь если голодному организму важнее всего наесться (то есть получить как можно более питательную еду), то сытый становится более разборчивым и предпочитает уже не столько питательную, сколько вкусную пищу.

Нарушение работы одного из октопаминовых рецепторов не влияет на запоминание связанных с возбуждением октопаминовых рецепторов запахов у голодных мух, в то время как у сытых этот вид памяти серьезно нарушается

Рис. 4. Нарушение работы одного из октопаминовых рецепторов не влияет на запоминание связанных с возбуждением октопаминовых рецепторов запахов у голодных мух (a), в то время как у сытых этот вид памяти серьезно нарушается (b). Это говорит о том, что октопамин важен для получения удовольствия от пищи у сытого насекомого. Три левых столбика в каждом графике — мухи, гетерозиготные по гену одного из октопаминовых рецепторов (octβ2R), то есть те, у которых этот рецептор плохо работает (полное отсутствие этого рецептора для мух летально). Два правых столбика — мухи, у которых вместе с предъявлением запаха возбуждали октопаминовые нейроны. Два левых столбика — контроль. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Итак, данные, полученные в этой работе, показали, что основную роль в системе вознаграждения у насекомых играет дофамин, октопамин же — это просто дополнительный «рычажок», который, конечно, связан с получением удовольствия, но роль которого гораздо меньше, чем таковая для дофамина. Из этого следуют как минимум два важных вывода.

Во-первых, система вознаграждения у насекомых (и, возможно, вообще беспозвоночных) гораздо ближе к таковой у млекопитающих, чем казалось раньше. Значит, изучение работы этой системы на чрезвычайно любимых всеми биологами дрозофилах может быть полезно и для понимания процессов, происходящих в организме млекопитающих и людей в том числе.

Во-вторых, из этой работы становится понятно, насколько важно разностороннее исследование для правильного понимания происходящих в организме процессов и насколько важно не прекращать изучение проблемы даже тогда, когда кажется, что всё с ней уже понятно. Ведь, например, прежние данные, которые говорили о важности октопамина в работе системы вознаграждения, были абсолютно верными — просто неполными, и если бы исследования в этой области были прекращены, мы до сих пор бы думали, что октопамин играет в этой системе главную роль.

Источник: Christopher J. Burke, Wolf Huetteroth, David Owald et al. Layered reward signalling through octopamine and dopamine in Drosophila // Nature. Published online 28 October 2012.

См. также:
Отвергнутые самками самцы мух ищут утешения в алкоголе, «Элементы», 16.03.2012.

Вера Башмакова


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • lesnik  | 11.11.2012 | 12:00 Ответить
    Спасибо за интересную статью. По прочтении возник такой вопрос: если в организме нет дофамина, он - жизнеспособен?
    Ответить
    • VerBa > lesnik | 11.11.2012 | 22:52 Ответить
      смотря какой организм. E. Coli прекрасно без дофамина обходятся (хотя, кстати, в присутствии дофамина растут гораздо лучше, у них к катехоламинам рецепторы есть).
      а вот кто посложнее, вроде людей или хотя бы дрозофил, без дофамина выжить не могут.
      Ответить
      • lesnik > VerBa | 12.11.2012 | 06:54 Ответить
        >а вот кто посложнее, вроде людей или хотя бы дрозофил, без дофамина выжить не могут.

        Им, наверное, дофамин нужен для чего-нибудь ещё кроме удовольствия?
        Ответить
        • VerBa > lesnik | 12.11.2012 | 08:33 Ответить
          Да, конечно. Начиная от регуляции движений и заканчивая когнитивной деятельностью. Даже просто небольшие отклонения в дофаминергической системе для организма очень опасны. Например, у млекопитающих при дегенерации одной из дофаминергических областей развивается болезнь Паркинсона.
          Ответить
          • lesnik > VerBa | 12.11.2012 | 13:20 Ответить
            >Например, у млекопитающих при дегенерации одной из дофаминергических областей развивается болезнь Паркинсона.

            А у мух? Без октопамина вроде как обходятся. Я всё к тому, что без т.н. удовольствия жизнь вообще возможна? Например, если нейроны удовольствия у мух убрать, о которых вы упоминаете в вашей статье, что будет?
            Ответить
            • VerBa > lesnik | 12.11.2012 | 14:59 Ответить
              А, поняла Ваш вопрос.
              Нет, полностью уничтожить систему вознаграждения нельзя, слишком со многим она связана. Но есть хорошо известный пример сильного нарушения работы системы вознаграждения - это опиатные наркоманы. Они более-менее жизнеспособны, но их организм постоянно требует искусственного удовольствия (наркотика) взамен нарушенного естественного.
              Ответить
              • lesnik > VerBa | 12.11.2012 | 15:54 Ответить
                >Нет, полностью уничтожить систему вознаграждения нельзя, слишком со многим она связана.

                Только "дофаминовые" нейроны, возбуждение которых, якобы соответствует удовольствию.

                >организм постоянно требует искусственного удовольствия (наркотика) взамен нарушенного естественного.

                Наверное, очень смелое утверждение. Неужели можно стать наркоманом, даже не пробовав наркотик, а только нарушив систему удовольствия?

                Извиняюсь за долгую дискуссию.
                Ответить
                • VerBa > lesnik | 12.11.2012 | 16:03 Ответить
                  Понимаете, если мы рассматриваем более-менее сложный организм, то у него система вознаграждения и дофаминовые нейроны в том числе вовлечены в такое количество разнообразных процессов, что уничтожение этих нейронов организм вряд ли сможет вынести.
                  Что же касается наркоманов, то, конечно, отнюдь не любое нарушение системы вознаграждения ведет к развитию наркомании. Просто наркоманы ее разрушают достаточно специфическим образом, что и приводит к зависимости.
                  Ответить
  • nan  | 12.11.2012 | 09:19 Ответить
    Можно ли говорить об "удовольствии" без осознавания? Это - не риторический вопрос, это вопрос о субъективизация ощущений. У мухи нет механизмов, характерных для работы сознания, в частности соотвествующей функциональности гаппокампа. Хотя роль нейромедиаторного механизма связывания результата поведения с откликом системы рецепции гомеостаза (основа системы значимости) уже есть и используется для закрепления реакций в данном контексте действия данного нейромедиаторного баланса. Очень стоит различать "удовольствие" и не субъетивизированные базовые механизмы адаптивности. Это важно для понимания мхенизмов осознаваемой адаптивности.
    Ответить
    • VerBa > nan | 12.11.2012 | 12:22 Ответить
      Во-первых, в данном случае имелось в виду чисто физиологический аспект удовольствия. Предполагалось, что если муха стремится к чему-то, то это что-то доставляет ей удовольствие, вот и все.
      Во-вторых, хотя нервная система насекомых устроена совсем иначе, чем у позвоночных, но это вовсе не означает, что у них нет сознания (в определенном смысле) и эмоций (тоже в определенном смысле). Ну нет у них лимбики и коры, зато есть грибовидные тела.
      Ответить
      • nan > VerBa | 12.11.2012 | 12:44 Ответить
        Сначала нужно обосновать правомерность применения термина, в частности, наличием сознания. У меня бы не возникло возражения, если бы Вы в статье сказали: "Условно назовем механизм подкрепления стереотипной реакции у мухи словам удовольствие" или как-то другими словами, но, главное, обозначить условность использования слова, а не претендовать на общность психического явления "удовольствие" у мухи и высших животных, что явно не ладах с научной методологией.
        Ответить
        • VerBa > nan | 12.11.2012 | 12:56 Ответить
          Ну, в каком-то смысле, любое использование любого слова условно:)
          Новость же о том, что ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ получения удовольствия у насекомых и млекопитающих сходны. Психические же аспекты удовольствия - это отдельная тема, и об этом в новости не говорилось.
          Ответить
  • Reaper  | 13.11.2012 | 02:07 Ответить
    [смотрит с надеждой] А может кто-нибудь пояснить этот пункт?=)

    > Ученые создали (опять же, на основе GAL4/UAS-методики) линию мух, у которых октопаминовые нейроны возбуждались при температуре выше 25°C

    Как температурную зависимость задают? На качественном уровне можно пояснить? Cовершенно фантастически звучит. Такой уровень настройки...
    Ответить
    • VerBa > Reaper | 27.11.2012 | 09:45 Ответить
      Ой, простите, почему-то пропустила Ваш комментарий.

      Дело в том, что у дрозофил известно несколько белков, обладающих температурной чувствительностью. Например, кальциевый канал dTrpA1 открывается при температуре выше 25 градусов, что приводит к возбуждению тех клеток, в мембране которых этот канал плавает. В норме этот канал экспрессируется только в небольшой популяции нейронов, которая обеспечивает мухам "температурное поведение", то есть, заставляет их улететь от жары куда-нибудь в прохладное место. Но если с помощью Gal4/UAS включить dTrpA1 в октопаминовых нейронах, то эти нейроны будут возбуждаться в ответ на температуру выше 25.
      Вот и все:)
      Ответить
      • Reaper > VerBa | 28.11.2012 | 16:23 Ответить
        Большое спасибо!=)
        Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»