Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского

Мозг самца дрозофилы. Зеленым цветом выделены нейроны DC1, которых нет у самок. Стрелкой и треугольником отмечены скопления отростков нейронов (нейропили), также отсутствующие у самок. Длина масштабной линейки 20 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Самцы и самки дрозофил воспринимают феромон cVA при помощи одних и тех же рецепторов и обонятельных нейронов, однако это по-разному влияет на их поведение: самки сексуально возбуждаются, а самцы начинают проявлять агрессию по отношению друг к другу и меньше интересуются самками. Как выяснилось, нейронный контур, определяющий реакцию на феромон, в своей «минимальной комплектации» состоит всего из четырех нейронов, три из которых диморфны, то есть имеют различное строение у самцов и самок. Этих различий оказывается достаточно, чтобы обеспечить разное поведение в ответ на один и тот же стимул. Открытие показало, что за сложным поведением могут стоять довольно простые нейронные контуры.

В половом поведении многих животных важную роль играет химическое «общение» при помощи феромонов (см.: Феромоны не привлекают, а заставляют задуматься, «Элементы», 19.10.2009). У дрозофил один и тот же мужской феромон cVA (11-cis-vaccenyl acetate) по-разному влияет на самцов и самок.

Самцы, почуяв cVA, начинают проявлять агрессию по отношению к другим самцам и меньше интересуются самками. У самок от того же запаха повышается половая рецептивность (восприимчивость, готовность к спариванию). При этом и самцы, и самки воспринимают cVA при помощи одних и тех же рецепторов (Or67D), расположенных на одних и тех же сенсорных нейронах в антеннах мух. Было показано, что если выключить у мух ген рецептора Or67D, то самцы становятся бисексуалами (начинают ухаживать за другими самцами), а самки отчасти теряют интерес к сексу.

Если самцы и самки воспринимают феромон одними и теми же рецепторами и сенсорными нейронами, значит поведенческие различия «закодированы» в более глубоких нейронных контурах (neuronal circuits) мушиного мозга. Мозг дрозофилы устроен проще, чем у млекопитающих, однако «расшифровка» конкретного нейронного контура даже у дрозофилы — задача весьма трудная.

Американским нейробиологам удалось разобраться в хитросплетениях нейронов, отвечающих за различия женской и мужской реакции на феромон cVA. Использовались генно-модифицированные мухи, у которых нейроны после воздействия лазерного луча начинают светиться, что позволяет проследить, куда идут отростки данного нейрона (дендриты и аксоны) и где они заканчиваются.

Обонятельные сенсорные нейроны (ORN), воспринимающие феромон при помощи рецепторов Or67D, посылают сигналы нейронам одного из участков (DA1) антеннальной доли мозга. Нейроны DA1, в свою очередь, по своим аксонам передают сигнал в боковой рог (lateral horn) протоцеребрума (так называется передний отдел мозга насекомых). Ранее авторы обнаружили, что у самцов дрозофил аксоны нейронов DA1 в боковом роге особым образом разветвляются, а у самок такого ветвления нет. В новой работе, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature, прослежена дальнейшая судьба информации о феромоне cVA в мозге самцов и самок дрозофил.

Выяснилось, что у самцов нейроны DA1 передают сигнал двум группам нейронов бокового рога (авторы обозначили их LC1 и DC1). У самок сигнал передается только нейронам LC1. В этом и состоит смысл ветвления аксонов DA1: у самцов они разветвляются, чтобы передать сигнал сразу двум группам нейронов (LC1 и DC1), а у самок аксоны не ветвятся и передают сигнал только нейронам LC1.

Нейроны LC1 у самцов и самок оказались диморфными, то есть различающимися как по своему количеству, так и по характеру связанности с другими нейронами. Было также установлено, что нейроны LC1 выделяют нейромедиатор торможения ГАМК, а нейроны DC1 являются не тормозящими, а возбуждающими (какой именно медиатор они выделяют, выяснить не удалось).

Установив эти факты, авторы сосредоточились на нейронах DC1, которые возбуждаются в ответ на феромон cVA только у самцов. Всего в мозге самца слева и справа находится примерно по 20 этих нейронов. При помощи серии сложных экспериментов авторы убедились, что нейроны DC1 у самцов действительно возбуждаются в ответ на возбуждение нейронов DA1, которые воспринимают сигналы от сенсорных нейронов, чувствительных к феромону cVA. Можно дать мухе понюхать cVA, а можно искусственно стимулировать нейроны DA1: в обоих случаях произойдет возбуждение нейронов DC1. Ни другие феромоны, ни искусственное возбуждение других областей антеннальной доли, кроме DA1, не приводит к возбуждению DC1 у самцов.

По-видимому, это означает, что нейроны DC1 реагируют только на феромон cVA и безразличны ко всем прочим запахам. Впрочем, какие-то другие, не обонятельные сигналы, скорее всего, влияют на работу нейронов DC1, судя по сложной сети отростков, которыми они соединены с другими отделами мозга. Вероятно, нейроны DC1 интегрируют разнородную информацию, которая учитывается при принятии «решения» о том, как реагировать на феромон (о механизмах принятия решений см. в заметке Нейрологические механизмы принятия решений будут изучать на раках, «Элементы», 25.06.2010).

Общая схема нейронного контура, определяющего поведенческий ответ на феромон cVA у самцов (вверху) и самок (внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Таким образом, авторам удалось проследить три первых этапа обработки сигнала о присутствии феромона cVA в нейронном контуре, специфичном для самцов. Нейроны первого уровня (ORN) передают сигнал нейронам второго уровня (DA1), а те, в свою очередь, передают его нейронам третьего уровня (DC1). Что происходит дальше?

Авторы проследили путь аксонов DC1 и обнаружили, что они раздваиваются и заканчиваются в двух нейропилях (скоплениях отростков нейронов) в латеральном и медиальном отделах протоцеребрума. У самок эти нейропили отсутствуют. В этих же самых нейропилях обнаружились и отростки нейронов LC1 (см. выше), которые в ответ на феромонный сигнал выделяют медиатор торможения ГАМК. Здесь же нашлись и отростки нейронов P1, которые есть только у самцов и о которых известно, что они инициируют брачное поведение (ухаживание).

Возможно, нейроны LC1 подавляют активность нейронов P1, и этим объясняется снижение интереса к самкам под действием феромона cVA. Некоторые другие диморфные (различающиеся у самцов и самок) группы нейронов мозга тоже посылают свои отростки в эти нейропили. По-видимому, здесь у самцов происходит интеграция разнородных сведений, важных для правильного полового поведения. Здесь же информация о феромоне может «разветвляться», передаваясь разным группам нейронов, что в конечном счете обеспечивает комплексный поведенческий ответ.

В этих же двух нейропилях у самцов находятся разветвленные дендриты (входные отростки) большого «нисходящего» нейрона (descending neuron, DN1), которого нет у самок и который передает сигнал из головного мозга в брюшную нервную цепочку (аналог спинного мозга у насекомых). По-видимому, именно этот нейрон DN1 — четвертый и последний ключевой элемент «мужского» нейронного контура, отвечающего за реагирование самца на феромонный сигнал.

Чтобы убедиться в этом, авторы провели еще несколько экспериментов, в ходе которых было показано, что возбуждение сенсорных нейронов ORN феромоном cVA действительно приводит к активации нейрона DN1. Иными словами, нейрон DN1 действительно передает сигнал о феромоне в брюшную нервную цепочку, которая непосредственно управляет движением ног, крыльев и брюшка. Дополнительные опыты подтвердили, что нейроны DA1 и DC1 являются обязательными участниками эстафеты, по которой сигнал передается от ORN к DN1.

«Нисходящий» нейрон DN1 (выделен красным) связывает мозговые участки рассматриваемого нейронного контура с брюшной нервной цепочкой (VNC). На фигуре a зеленым цветом окрашены нейроны DC1, аксоны которых встречаются с дендритами нейрона DN1 в двух нейропилях (скоплениях отростков нейронов), один из которых отмечен стрелкой, а второй — треугольником. На фигуре b показан головной мозг (вверху) и брюшная нервная цепочка (внизу). Длина масштабной линейки 80 мкм. c — реакция нейрона DN1 на возбуждение рецепторов антенн самца феромоном cVA. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Результаты исследования оказались неожиданными в двух аспектах. Во-первых, весь путь от восприятия феромона рецепторами антенн до отправки «руководящих инструкций» в брюшную нервную цепочку оказался на удивление коротким. В «минимальной комплектации» он состоит всего из четырех нейронов: сенсорного (обонятельного) нейрона ORN, двух промежуточных нейронов DA1 и DC1 и «нисходящего» нейрона DN1. Это показывает, что довольно сложное поведение, по-видимому, может порождаться сравнительно простыми «управляющими программами». Здесь можно провести аналогию с генотипом и фенотипом: в индивидуальном развитии животных тоже происходит «рождение сложности» (эпигенез), когда на основе сравнительно простой «программы», записанной в геноме, формируется чрезвычайно сложный многоклеточный организм.

Во-вторых, в строении этого нейронного контура обнаружен удивительно резкий половой диморфизм. Нейроны ORN у самцов и самок одинаковы, DA1 — тоже, если не считать того, что у самцов аксоны этих нейронов раздваиваются, а у самок нет. Но на этом сходство кончается. Нейроны DC1 и DN1 есть только у самцов, у самок они просто-напросто отсутствуют. До сих пор большинство экспертов предполагало, что разница между мужским и женским поведением определяется тонкими деталями работы почти одинаковых нейронных контуров. Теперь мы видим, что она может быть обусловлена радикальными различиями в строении мозга, то есть грубо «прошита в железе».

Источник: Vanessa Ruta, Sandeep Robert Datta, Maria Luisa Vasconcelos, Jessica Freeland, Loren L. Looger, Richard Axel. A dimorphic pheromone circuit in Drosophila from sensory input to descending output // Nature. 2010. V. 468. P. 686–690.