Рис. 1. FlyBowl — комплексная система для изучения поведения дрозофил. Специальное программное обеспечение позволяет анализировать не только индивидуальное поведение мух, но и их социальные взаимодействия. Фото с сайта janelia.org и кадр из видео с сайта research.janelia.org
Ранее было показано, что у самцов дрозофил, отвергнутых самками, усиливается тяга к алкоголю. Как выяснилось, это лишь вершина айсберга. Новые эксперименты показали, что любовные неудачи приводят к целому комплексу поведенческих и физиологических изменений. Отвергнутые самцы становятся необщительными и агрессивными, их сексуальная мотивация растет, а способность переносить жизненные тяготы, такие как голод и окислительный стресс, снижается. Эти изменения связаны с активацией небольшой группы нейронов, чувствительных к мушиному гомологу человеческого нейропептида Y. У людей и других млекопитающих этот нейропептид играет важную роль в системах внутреннего подкрепления и реакции на стресс. Исследование подтвердило, что общие принципы организации этих систем сходны у млекопитающих и мух.
Плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster) — важнейший модельный объект, на котором сделано множество открытий в самых разных областях биологии. На дрозофилах изучают в том числе и принципы устройства нейронных контуров, управляющих поведением животных, таких как системы внутреннего подкрепления (см. Reward system) и реакции на стресс (stress response). По-видимому, эти системы существовали уже у общих предков членистоногих и хордовых. Поэтому то, что верно для мухи, может оказаться в какой-то мере верным и для человека.
Ранее было показано, что самцы дрозофил, многократно отвергнутые самками, проявляют повышенную тягу к алкоголю. Об этом важном исследовании рассказано в новости Отвергнутые самками самцы мух ищут утешения в алкоголе («Элементы», 16.03.2012). Эффект связан со снижением уровня нейропептида F (NPF) в мозге отвергнутого самца. Изюминка здесь в том, что NPF дрозофилы гомологичен нейропептиду Y млекопитающих (NPY), про который известно, что он подавляет тягу к алкоголю у спившихся лабораторных млекопитающих (K. Pleil et al., 2015. NPY signaling inhibits extended amygdala CRF neurons to suppress binge alcohol drinking).
Продолжая развивать эту интригующую тему, исследователи из Израиля и США тщательно изучили поведенческие изменения, характерные для отвергнутых самками самцов дрозофил. Помимо прочего, авторы хотели понять, является ли общение с неприступными самками стрессором, вызывающим специфическую реакцию на стресс, или всё можно свести просто к отсутствию вознаграждения (в данном случае секса). Этот вопрос остался не до конца проясненным в «алкогольном» эксперименте.
Поведение мух изучали при помощи системы FlyBowl (рис. 1). Она позволяет отслеживать и обсчитывать множество аспектов не только индивидуального, но и социального поведения десятков мух. Сравнивались самцы трех типов, различавшиеся своим жизненным опытом (рис. 2; эта методика также описана в новости Отвергнутые самками самцы мух ищут утешения в алкоголе):
1) Отвергнутые (Rejected). Этих самцов трижды в сутки помещали на один час в камеру с самками, которые незадолго до этого спарились с другим самцом и поэтому отвергали все ухаживания. Издевательство продолжалось четверо суток. Если спаривание все-таки происходило, удачливого любовника исключали из исследования.
2) Сексуально успешные (Mated). Эти самцы общались с девственными самками, которые относились к ухаживаниям благосклонно.
3) Неопытные (в статье и на рис. 2 они обозначены иногда как Naive, а иногда как Virgin, последний термин менее удачен, потому что отвергнутые тоже были девственниками). Эти самцы вообще не видели самок до начала тестирования.
Тестирование состояло в том, что 10 самцов помещали в низкую чашку Петри, где муха может только ходить пешком, и в течение 30 минут регистрировали, а потом анализировали все их телодвижения при помощи системы FlyBowl.
Рис. 2. Схема эксперимента (вверху, пояснения в тексте) и некоторые поведенческие показатели. Верхний ряд графиков показывает, что общая двигательная активность у отвергнутых самцов (Rejected) такая же высокая, как у неопытных (Naive/Virgin), в то время как сексуально успешные самцы (Mated) двигаются меньше. Нижний ряд графиков показывает, что по показателям, характеризующим общительность (мирные контакты с другими самцами), отвергнутые самцы сильно отстают от наивных, а по некоторым из этих показателей они уступают даже сексуально успешным, несмотря на общую вялость последних. Рисунок из обсуждаемой статьи из PLoS Genetics
Выяснилось, что многократные сексуальные неудачи, в отличие от удач, не делают самцов более вялыми. Общая двигательная активность отвергнутых самцов оказалась такой же высокой, как у неопытных, и намного более высокой, чем у сексуально успешных. Совсем другая картина получилась по показателям, характеризующим «общительность», то есть склонность к мирному взаимодействию с другими самцами (приближения, прикосновения, хождение гуськом и т. п.). У отвергнутых самцов эти показатели оказались резко понижены и по сравнению с неопытными, и по сравнению с успешными самцами (хотя последние в целом меньше двигались). Таким образом, отвергнутые самцы не стали менее бодрыми, но стали менее общительными.
Этот вывод подтвердился в ходе более сложного анализа поведенческих данных, показавшего, что отвергнутые самцы не просто ничего специально не делают, чтобы вступить в контакт с другим самцом. Они активно избегают контактов и стараются быть подальше от сородичей. Это видно, в частности, из анализа средних расстояний между мухами. Когда же контакт все-таки происходит, отвергнутые самцы чаще проявляют агрессию по отношению к другим самцам (отталкивают, прогоняют их), чем неопытные и сексуально успешные. Для количественной оценки агрессивности были проведены отдельные тесты (см. ниже).
Таким образом, исследование показало, что поведение отвергнутых значимо отличается от поведения неопытных, которые тоже не имели секса. Это согласуется с предположением о том, что для самцов дрозофил сексуальные неудачи — это не просто отсутствие секса, а настоящий стрессор, комплексная реакция на который включает в себя избегание социальных контактов и рост агрессивности. Показанная ранее тяга к алкоголю сюда тоже хорошо вписывается, потому что такой симптом отмечается у многих животных при стрессе.
Не останавливаясь на достигнутом, исследователи решили выяснить, снижается ли у отвергнутых самцов мотивация. Приходят ли они в уныние, которое иногда называют выученной беспомощностью или «loser-like state»? Теоретически это возможно, но возможен и обратный эффект, то есть усиление мотивации и решимости добиться желаемого. Такое тоже иногда наблюдается у животных, не получивших ожидаемой награды. Результаты «алкогольного» исследования вроде бы намекали, что отвергнутые самцы теряют волю к победе, что проявляется в снижении интенсивности ухаживания за самками. В новой работе это перепроверили на основе гораздо более тщательного и всестороннего анализа поведения. Вывод получился прямо противоположный.
Во-первых, упомянутый выше рост агрессивности противоречит идее «loser-like state». У павших духом животных агрессия, как правило, снижается, а не растет. Дополнительные эксперименты подтвердили, что отвергнутые самцы агрессивнее сексуально успешных. Например, если посадить отвергнутого самца в одну пробирку с успешным, то инициатором примерно 80% агрессивных столкновений становится отвергнутый самец.
Во-вторых, прежние предположения о менее активных ухаживаниях не подтвердились. Самка, недавно спарившаяся с другим самцом, сама по себе малопривлекательна для самцов. Это объясняется действием мужского феромона-антиафродизиака cVA (11-cis-vaccenyl acetate; о нем рассказано в новостях Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского, «Элементы», 08.12.2010 и Дофаминовые нейроны нужны мухам, чтобы учиться на ошибках, «Элементы», 10.09.2012). Поэтому самцы, которых готовили на роль «отвергнутых», не так охотно ухаживали за самками, как будущие «успешные», имевшие дело с привлекательными девственницами. Однако это различие постепенно сходило на нет по мере того, как «отвергнутые» привыкали к общению с уже спарившимися самками. Когда же отвергнутым самцам дали возможность поухаживать за девственницами, они делали это даже с большим энтузиазмом, чем неопытные. Спаривание отвергнутого самца с девственницей продолжалось в среднем на 25% (3,5 минуты) дольше, чем у наивного самца. Кроме того, у отвергнутых оказалась повышена экспрессия двух ключевых генов, продукты которых входят в состав семенной жидкости и влияют на рецептивность и яйценоскость самки, тем самым повышая репродуктивный успех самца (Sex-Peptide и Acp-63). Таким образом, отвергнутые самцы вовсе не падают духом, а наоборот, вкладывают больше ресурсов в попытки оставить потомство. В естественных условиях это должно способствовать репродуктивному успеху. В данную схему вписываются и агрессия по отношению к другим самцам, и долгая копуляция, и усиленное производство компонентов семенной жидкости, заставляющих самку откладывать больше яиц и отвергать других самцов. Все это, по мнению авторов, соответствует не «синдрому проигравшего», а состоянию, похожему на фрустрацию, которое порождается конфликтом между высокой сексуальной мотивацией и невозможностью добиться желаемого.
Известно, что стресс может снижать устойчивость животных к различным жизненным тяготам. Исследователи проверили, как отвергнутые, успешные и наивные самцы справляются с двумя видами невзгод: голодом и окислительным стрессом. Для окислительного стресса самцам добавляли в корм гербицид паракват, ну а для голода просто не кормили. Отвергнутые самцы в обоих случаях оказались менее стойкими (быстрее погибали), чем успешные и наивные. Это согласуется с идеей о том, что сексуальные неудачи (но не отсутствие секса как таковое) являются стрессором, снижающим способность животного справляться с другими стрессорами.
Ученые попытались также разобраться в нейробиологическом базисе обнаруженных эффектов. В «алкогольном» исследовании было показано, что тяга отвергнутых самцов к алкоголю связана со снижением уровня нейропептида F (NPF) в мушином мозге. Как уже говорилось, NPF гомологичен нейропептиду Y (NPY) млекопитающих. Нейропептид Y играет важную роль в координации работы систем внутреннего подкрепления и ответа на стресс. NPY подавляет активность нейронов, имеющих рецепторы к этому нейропептиду (нейронов NPYR), и в результате у животных снижается тревожность и тяга к алкоголю. Исследователи, естественно, предположили, что у дрозофил происходит что-то похожее. Их гипотеза состояла в том, что сексуальные неудачи снижают активность нейронов, производящих NPF. Это ведет к росту активности (дезингибированию) нейронов NPFR, что, в свою очередь, вызывает либо весь комплекс обнаруженных стрессовых реакций, либо какую-то его часть.
В серии сложных генно-инженерных и оптогенетических экспериментов эта гипотеза в общих чертах подтвердилась. Сначала исследователи обнаружили, что дезингибирование нейронов NPRF снижает устойчивость самцов к голоданию, даже если они были успешны в любви или вообще никогда не встречались с самками. Впрочем, поведение самцов при этом изменилось мало. Таким образом, если искусственно активировать (дезингибировать) все нейроны, которые в норме тормозятся нейропептидом F (то есть все нейроны NPRF), то самец становится чувствительным к голоду, как если бы он был отвергнут самками, но другие изменения, связанные с отверженностью, у него не появляются.
Возможно, дело в том, что нейроны NPRF довольно разнообразны, они производят разные нейромедиаторы и выполняют разные функции. Исследователи предположили, что за изменения, характерные для отвергнутых самцов, отвечает лишь какая-то конкретная подгруппа (субпопуляция) этих нейронов. Чтобы это проверить, стали активировать по очереди разные субпопуляции нейронов NPRF. В итоге удалось выявить одну небольшую группу из 22–26 нейронов NPRF, производящих нейропептид тахикинин. Активация этих нейронов не только снижает устойчивость самцов к голоданию, но и меняет их социальное поведение, причем изменения отчасти напоминают те, что наблюдались у отвергнутых самцов. Ясно, что не всё сводится именно к этой субпопуляции нейронов, но какой-то вклад в поведенческие и физиологические эффекты отверженности они, по-видимому, вносят. Хотя нейробиологическая часть исследования была крайне трудоемкой, она не дала ответов на все вопросы. Мягко говоря, здесь еще есть над чем поработать.
Обсуждаемое исследование интересно в нескольких отношениях. Во-первых, впервые удалось получить весомые аргументы в пользу того, что дрозофилы реагируют на социальный стресс целым комплексом поведенческих и физиологических изменений, во многом похожих на те, что наблюдаются в подобных ситуациях у позвоночных. Во-вторых, получила дополнительную поддержку идея о сходстве базовых принципов организации и взаимодействия систем внутреннего подкрепления и ответа на стресс в мозге насекомых и позвоночных. В частности, у тех и других система внутреннего подкрепления, по-видимому, использует нейропептид NPY/NPF, чтобы сгладить остроту реакции на стресс или вовсе ее отключить. Возможно, дело идет к тому, что плодовая мушка скоро станет классическим модельным объектом еще и в нейропсихологии.
Источник: J. Ryvkin, L. Omesi, Y.-K. Kim, M. Levi, H. Pozeilov, L. Barak-Buchris, B. Agranovich, I. Abramovich, E. Gottlieb, A. Jacob, D. R. NässelI, U. Heberlein, G. Shohat-Ophir. Failure to mate enhances investment in behaviors that may promote mating reward and impairs the ability to cope with stressors via a subpopulation of Neuropeptide F receptor neurons // PLoS Genetics. 2024. DOI: 10.1371/journal.pgen.1011054.
См. также:
Отвергнутые самками самцы мух ищут утешения в алкоголе, «Элементы», 16.03.2012.
Александр Марков
Источник: https://elementy.ru/