Участие катехоламинергической системы в формировании и развитии поведенческих реакций в онтогенезе рыб, проявляющих внутривидовые агонистические отношения

В течение долгих десятилетий ученых всего мира волнуют вопросы возникновения и развития живых систем. Эти исследования проводятся как на организменном уровне, так и на системном и клеточном. Возникновению новых систем и модификациям на основе одних и тех же химических веществ, образованию новых связей сигнальными молекулами и изменением их функций посвящено огромное количество работ, выполненных практически на всех типах живых организмов. Однако даже у наиболее примитивно устроенных животных неизвестны полностью механизмы регуляции жизнедеятельности и поведения. Сложное взаимовлияние отдельных сигнальных молекул, зависимость ответов организма от концентраций веществ и невозможность идентификации отдельного поведенческого акта и соответствующего изменения в химизме организма — все это в большой мере тормозит исследования роли сигнальных молекул как в онтогенезе, так и в филогенезе. Особую сложность представляют собой исследования, проводимые с позвоночными животными, у которых огромное значение приобретают психические процессы. Происходит резкое усложнение поведения, богатство поведенческих актов не дает часто возможности однозначно трактовать их мотивацию и выявлять внешние и внутренние факторы, вызвавшие ту или иную реакцию.

Каждый век уподоблял мозг тому механизму, который был вершиной технической мысли своего времени. Для Декарта то были простейшие механические автоматы. Для Шеррингтона, Павлова, Рамон — и Кохала прообразом стала автоматическая телефонная станция со множеством сложных меняющихся коммутаций. В настоящее время видится аналогия с компьютерами или целыми их системами. Однако возможно ближе всех к истине был Дюбуа Раймон который уже более века тому назад утверждал, что сущность работы мозга мы все-таки до конца никогда не поймем. В дальнейшем в пользу такого утверждения стала свидетельствовать теорема Геделя. В той или иной степени мозг останется для нас, вероятно, навечно «черным ящиком» .

Следует отметить, что все технические аналогии мозга обходят, в частности, одно крайне важное обстоятельство: роль множественности функционирующих в мозгу химических сигналов: синаптических и экстрасинаптических. Почему их много? Почему нельзя было обойтись только одним нейромедиатором для обеспечения функции торможения, которая, по-видимому, не может передаваться электросинаптическим способом? Только ли эволюционные причины определили множественность нейромедиа-торов в ЦНС животных? Казалось бы, в принципе, многие функции мозга мог бы обеспечить любой какой-нибудь один химический сигнал, если бы дело сводилось к структурно детерминированным нейросинаптическим коммутациям. Фактически же имеется немало подтверждений того, что многие сигналы в мозгу распространяются экстрасинаптически в ликворе, а также отчасти и в системе кровотока, адресуясь одновременно многим анатомически не связанным между собой нейронам, объединенным только одним общим свойством: идентичностью по признаку мембранной рецепции. Именно таким образом могут быть одновременно задействованы комплексы нервных элементов, участвующих в управлении поведенческой реакцией, связанной с определенным эмоциональным настроем организма: состоянием мотивации. Каждому эмоциональному состоянию как то: повышенная пищевая или половая возбудимость, забота о потомстве, социальная агрессия, миграционное поведение и т. д. — свойственней свой специфический гормонально-физиологический фон (Шаляпина, 1976). Это подтверждают опыты, в которых соответствующие формы поведения удавалось вызвать посредством инъекций или даже — введения в водную среду разных нейрогормонов (Baenninger, 1968; Munro, Pitcher, 1985; Munro, 1986). Поразительно, что многие из тех же форм поведения удается стимулировать и путем электрического раздражения определенных структур мозга через вживленные электроды.

На основании подобных экспериментов у исследователя возникает соблазн представить мозг как совокупность разных функциональных нервных центров работающих по принципу: «афферентные сигналы — центральное возбуждениеэфферентные им пульсации — двигательный ответ, т. е. низвести неимоверно сложную в действительности систему до примитивного уровня Декартовых рефлексов. Фактически, это представление конечно не в большей степени соответствует действительности, чем утверждение, будто появление той или иной информации на дисплее комъютера объясняется простейшей релейной связью между клавиатурой и разверткой изображения на экране.

По мере развития методологии исследований, появления новых вопросов, возникающих в процессе эксперимента, возникали новые научные дисциплины, каждая из которых пыталась осветить эволюционные и онтогенетические аспекты развития химических связей организма с точки зрения собственных методов и взглядов. Так возникла психонейроэндокринология, нейрофармакология и др. Особое место заняли исследования на границе нескольких научных дисциплин. Использование методов классической этологии, биохимии, физиологии и эмбриологии позволило подойти к вопросу о роли гормональных и нейромедиаторных систем с новых позиций: появилась возможность исследовать появление отдельных специализированных элементов системы, их развитие и становление в единое целоеизучить динамику отдельных веществ в онтогенезевыделить специфические ответы при прямом воздействии на данную систему в целом или ее составляющиепроследить гистохимическими методами связи отдельных специализированных клеток и т. д. Таким образом, были созданы предпосылки для синтеза имеющихся данных и проведения комплексных работ по изучению роли отдельных систем в онтогенезе и изменениях в их функционировании в филогенезе.

Наша работа продолжает эти исследования и посвящена катехоламинергической системе, ее гормональному и медиаторному звеньям в поведении рыб, для которых характерны внутривидовые антагонистические взаимодействия, основанные на территориальном поведении или в результате модификации поведения в условиях ограниченного пространства. Наш интерес к катехоламинам был вызван тем, что именно этого типа нейромедиаторы через посредство рецепторов в плазмалемме и на внутриклеточных мембранах, ионных каналов и вторичных мессенджеров — циклических мононуклеотидов, фосфоинозитидов и др., управляют одновременно многообразными функциями: от субклеточных до организменных. В частности, необычайно велика роль катехоламинов в регуляции и поддержании эмоционального статуса животных, мотиваций поведения, в особенности таких поведенческих реакций, как агрессия, стрессогенная активность (гормоны «защиты или бегства») и другие формы социального взаимодействия.

Говоря о катехоламинах, мы имеем в виду полифункциональный комплекс молекул, различных по своему биологическому эффекту и типам рецепции, но объединенных общностью происхождения в цепи метаболических превращений: тирозин — дофамин — норадреналин — адреналин. В наших экспериментах мы по-отдельности рассматривали динамику и действие каждого соединения, его агонистов и антагонистов.

Уже давно ученых разных специальностей, философов, медиков, биологов, психологов, интересует круг вопросов, связанных с управлением поведением животных и человека, со стрессом, который является неотрывной составной частью жизни организма, с агрессивностью, истоки которой искали еще древние философы. Конечно, основную значимость эти проблемы проибретали применительно к человеку. Но по мере развития научной мысли стало понятно, что большую часть ответов можно найти изучая животных, т.к. процессы управляющие поведением схожи, химизм этих процессов зачастую одинаков у самых низших и самых высших представителей позвоночных, ответы на одни и те же раздражители одинаковы, а эволюция шла по пути усложнения отдельных систем, но, отнюдь, не по пути создания на каждом этапе новых.

В 1912 году было показано, что определенные вещества, названные катехоламинами, принимают непосредственное участие в процессах стресса и адаптаций. Причем их роль велика не только при физическом или химическом стрессе, но и социальном, который может проявляться не только в грубых индивидуально направленных антагонистических актах, но и иметь тонкие визуально не наблюдаемые психологические механизмы. Именно на изучение становления и развития данной стрессогенной системы у рыб, которым генетически свойственна внутривидовая агрессия, охрана территории и постоянно сопутствующий этому социальный стресс были направлены наши эксперименты.

В данной работе мы попытались исследовать возникновение в онтогенезе элементов функций катехоламинергической системы, ее свойства на разных этапах развития организма, свойства отдельных веществ, составляющих ее, и изменение спектра функций в онтогенезе,. Мы сделали попытку понять, на каком этапе онтогенеза данная система и поведенческая стратегия находятся под жестким генетическим контролем и когда индивидуальная психология животного и его эмоциональное состояние может оказывать влияние на состояние медиаторного и гормонального звеньев катехоламинергической системы.

Полученные нами данные — свидетельство закономерного изменения в онтогенезе как концентрации разных нейрогормонов в структурах развивающегося эмбриона, так и гормонокомпетентности этих структур. Вся совокупность данных, полученных разными методами, подтверждает, что в раннем эмбриогенезе из всех катехоламинов физиологически активны только субстрат — предшественник L-ДОФА и дофамин, несколько позже, — норадреналин, а адреналин, конечный продукт в цепочке ферментативных превращений катехоламинов, начинает действовать и появляется в уловимых количествах позже трех прочих соединений (Нечаев, Лабас, 1990; Нечаев и др., 1991). Подобная же картина наблюдалась и в эмбриональном развитии кур (Перцева, 1989).

Складывается впечатление, что полученные нами и другими авторами данные по динамике концентраций и физиологической активности разных гормонов в онтогенезе страдают одним общим недостатком: рассматривается лишь временная динамика и, в результате методических трудностей гистохимического выявления очень малых концентраций, отсутствуют данные о пространственной (Valinsky, Loomis, 1984). Между тем, представляется вполне вероятным, что пространственная динамика имеет прямое отношение к процессу развития сперва — общего плана строения организма, а, затем, цитоархитектоники его мозговых структур, их биохимической и функциональной мозаичности.

В последнее время появились первые сообщения о весьма сложном механизме развития пространственно упорядоченных структур в эмбриогенезе (Ingham, Nakano, 1989; Goodwin, Kauffman, 1990). Этот процесс, по-видимому, имеет немало системных аналогий с работой мозга и, соответственно, вычислительной машины. Исследователи же еще совсем недавно исходили в своих представлениях о процессах индивидуального развития из упрощенных реакционно-диффузионых (Gierer, Meinhardt, 1972; Meinhardt, 1986; Harrison, 1987) и других моделей типа тех, которые когда-то постулировались и для мозга рефлексологическими школами, хотя, разумеется, один существенный шаг вперед был сделан. По аналогии с нервными механизмами управления движениями и техническими устройствами и химическими автоколебательными системами (Gierer, Meinhardt, 1972) индивидуальное развитие тоже начали рассматривать как процесс самоорганизации, в котором всеобъемлющую роль играют обратные связи. Переход к следующему шагу: анализу алгоритмов развития только-только начался после открытия гомео-боксов и других регуляторных генов, ответственных за временные и пространственные паттерны развивающихся структур эмбриона (Harrison, Tun, 1988; Ingham, Nakano, 1989; Knust, Kampos-Ortega, 1989; Zaraisky et al, 1992). При этом с эволюционной точки зрения существенно, что процессы эмбриогенеза реализуются с участием ряда нейротрансмиттеров и нейрогормонов. Морфогенетические функции этих веществ — эволюционная предпосылка их дальнейшего превращения в регуляторы нервной деятельности, поведенческих реакций.

Исходя из всего вышесказанного целью нашей работы являлось: установление закономерности развития функциональной активности и последовательность расширения спектра функций нейромедиаторного и гормонального звеньев катехоламинергической системы в онтогенезе рыб, которым свойственно агонистическое поведение в естественных условиях. Основные задачи работы:

1. Эмбриональное и раннее постэмбриональное развитие рыб. Сравнительный анализ роли катехоламинов в икре и у личинок рыб с разным типом поведения.

• Провести сравнительное исследование развития физиологических реакций у эмбрионов рыб с разным типом поведения.

• Исследовать динамику веществ катехоламинового ряда в эмбриогенезе у рыб с различной социальной структурой.

• Исследовать последовательность появления реакций (морфологических, развития двигательных процессов, длительность эмбриогенеза) на катехоламинергические (КАергические) препараты, нарушения в развитии зародыша под их влиянием и, как следствие, возможные модификации поведения взрослых рыб.

• Провести сравнительный анализ развития поведенческих реакций и сопровождающих их изменений в функционировании КА-ергической системы в раннем постэмбриональном онтогенезе у рыб с различной социальной структурой.

2. Развитие социальной структуры в группах рыб и катехоламинергические механизмы, поддерживающие и определяющие взагшодействия особей на различных этапах онтогенеза.

• Исследовать изменения в функционировании КА-ергической системы в период становления социальных отношений и роль отдельных катехоламинов в приобретении рыбами определенного социального статуса в группах с разным числом рыб.

• Определить роль КА-ергической системы в образовании брачной пары, и исследовать динамику катехоламинов в репродуктивный период.

3. Провести теоретический анализ процесса становления функций катехоламинов в индивидуальном развитии, его особенностей у рыб, а также обсудить роль отдельных веществ катехоламинергической системы в поведении.

Было исследовано ряд видов рыб с характерным иерархическим поведением в условиях ограниченного пространства. Эксперименты проводили в лабораторных условиях в аквариумах, что позволяло вести наблюдения как за отдельными особями, так и за образованием и развитием общей системы иерархических отношений. Также, лабораторные исследования позволили нам унифицировать условия содержания рыб и методологию проведения экспериментов, что является крайне важным фактором при изучении процессов, связанных с психикой животных. Не меньшую роль играет стабильность условий и при изучении динамики катехоламинов, уровень которых легко варьирует при малейшем изменении внешних условий, а, значит, и реакции на них организма. Часть исследований была проведена в естественных условиях обитания рыб.

Было выделено четыре основных периода в жизни организма: эмбриональное развитиераннее постэмбриональное, когда происходит быстрый рост животного и становление его поведенческой стратегии, определяющей его поведение в течение остальной жизнипериод появления и развития социальных отношенийрепродуктивный период. Именно в течение этих периодов мы определяли время появления специализированных элементов катехоламинергической системы, динамику веществ, специфические физиологические и поведенческие ответы на введенные катехоламинергические препараты и роль раннеэмбриональных воздействий на изучаемую систему и поведение взрослых рыб.

Автор выражает благодарность Д. С. Павлову за многолетнее общее руководство исследованиями, М. Н. Перцевой и И. А. Баранниковой за ряд ценных советов, как при проведении экспериментов, так и при обсуждении результатов работы, Д. А. Павлову и В. В. Махотину за доскональное обсуждение полученных нами результатов в эмбриологической части работы, В. М. Ольшанскому за помощь в создании цифровой фотометрической установке и подготовки компьютерной программы для нее, В. В. Костину за плодотворную совместную работу и помощь в математической обработке данных.

выводы.

1. Потомство рыб в конце эмбриогенеза разделяется на две фенотипические группы по уровню двигательной активности эмбрионов, уровню синтеза и утилизации ДА и НА, сроку эмбриогенеза, длительности стадии свободного эмбриона и ритму первичных плавательных движений (биений хвоста). В постэмбриональный период эти различия приводят к различиям в тактике расселения молоди с мест нереста.

2. Дифференцировка потомства на две фенотипические группы заканчивается после первичного расселения рыб с мест нереста независимо от возраста молоди, при котором происходит это расселение.

3. При стимуляции рецепторного звена ДАи НА-ергической систем и/или увеличении уровня эндогенного ДА и НА происходит усиление двигательной активности эмбрионов рыб и, как следствие, не возникает разделения на фенотипические группы.

4. Длительная блокада ДА рецепторов в период дифференциации специализированных ДА синтезирующих клеток приводит к компенсаторному развитию клеток и увеличению синтеза ДА. Возникшие изменения в функциональной активности ДА-ергической системы необратимы и приводят к развитию патологического агрессивного поведения у взрослых рыб.

5. Метаболический эффект адреналина отсутствует в эмбриогенезе рыб и проявляется впервые в мышечной ткани только у личинок рыб.

6. На основе нейроэтологического и биохимического анализа на свободных эмбрионах и личинках рыб показано, что: а) торможение синтеза или блокада рецепторных полей ДАи НА-ергических систем нарушает развитие плавательного поведения рыб в результате десинхронизации ритмичности и регулярности сокращений мышечных волоконб) у видов рыб с родительской заботой о потомстве не обнаружено неспецифических поведенческих реакций при изменении функциональной активности ДАи НА-ергических систем.

7. Первые неспецифические изменения в поведении рыб, связанные с истощением и/или избытком функциональной активности ДАи особенно НА-ергической нейромедиаторных систем, проявляются в уровне индивидуальной исследовательской активности и реакции следования на мальковых этапах развития до интеграции агонистического поведения.

8. Стимуляция ДА-ергической системы определяет доминирующее положение особи в группе до установления иерархической структуры. В больших группах это воздействие на ДА-ергическую систему асоциальных рыб провоцирует их социальную активность и, как следствие, перераспределение рангов в группе. Стимуляция НА-ергической системы в меньшей степени влияет на уровень агрессии, но усиливает реакции защиты и двигательную активность рыб.

9. Длительное деспотическое доминирование приводит к серьезным нарушениям эмоционального статуса рыбы и перестройке метаболизма КА-ергической системы, особенно, ее ДА-ергического звена. Следствием этого являются такие морфологические изменения, как увеличение диаметра ядер хромаффинных клеток. При длительной изоляции доминанта — деспота первоначальные размеры ядер восстанавливаются.

10. Исчезновение временных нейрохимических сдвигов, вызванных нейрофармакологическими соединениями у рыб в дефинитивном состоянии, приводит к восстановлению чувствительности ДА и НА систем и нормального метаболизма катехоламинов и, как следствие, к восстановлению структуры поведения.

11. В процессе образования брачной пары основную роль играет уровень двигательной активности самца, который поддерживается активацией НА-ергической системы переднего мозга. Высокая агрессивная активность, вызванная стимуляцией ДА-ергической системы, может временно подавлять мотивацию к брачному поведению (смещенная активность по Mac Farland, 1971).

В период родительской заботы у самцов и самок происходят изменения в разных звеньях КА-ергической системы головного мозга: а) у самок увеличивается уровень НА за счет усиления синтетической активности клеток переднего мозгав период после вылупления потомства увеличивается уровень синтеза ДА и его накопление в клеткахпри увеличении двигательной активности потомства возрастает охранное поведение самки, что коррелирует с интенсивным использованием накопленного ранее в ее мозге ДА. б) у самцов уменьшается уровень синтеза НАактивируется функциональная активность ДА-ергического звена: возрастает синтез и утилизации ДА, а после вылупления личинок восстанавливается высокий уровень ДА и сниженный — НА, свойственный самцам до репродуктивного периода.

12. На основании проведенной работы можно говорить об определяющей роли ДА-ергической системы в интеграции видотипичного агрессивного поведения на всех этапах пост малькового онтогенеза у самцов рыб: а) эмбриональные воздействия, изменяющие морфологическую структуру и функциональную активность ДА системы, приводят к принципиальному изменению поведения рыб, модифицируя агонистическое поведение в патологические формы агрессивногоб) различия в функционировании ДА системы в ранний постэмбриональный период определяют поведенческие реакции и их дальнейшее развитие у рыбв) у взрослых рыб фармакологическая активация ДА системы однозначно определяет их социальный ранг в группе, что, соответственно, определяет их поведение и окружающих особейг) в репродуктивный период взаимодействие НА и ДА систем у самца обеспечивает репродуктивный успех.