Найдены нейроны, заставляющие самок избегать спариваний с незнакомцами

Предварительное знакомство влияет на выбор полового партнера у многих животных. Для одних видов характерно предпочтение знакомых партнеров, другие, наоборот, охотнее спариваются с незнакомцами. О физиологических механизмах этой избирательности почти ничего не известно. Японские биологи идентифицировали группу нейронов мозга (их сокращенное название — TN-GnRH3), благодаря которым самки рыб Oryzias latipes предпочитают спариваться со знакомыми самцами. Фоновая низкая активность этих нейронов обеспечивает пониженную восприимчивость самки к мужским ухаживаниям. При встрече с самцом, которого самка ранее видела через стекло, активность нейронов TN-GnRH3 резко возрастает. Это и делает самку уступчивой. Ключевую роль в работе системы играет производимый этими нейронами пептидный гормон GnRH3. Самки с дефектным геном gnrh3 не хотят спариваться ни с какими самцами, а самки, вовсе лишенные нейронов TN-GnRH3, наоборот, охотно спариваются с любыми.

Способность различать и узнавать сородичей играет важнейшую роль в социальном поведении животных. Многие животные совершенно по-разному ведут себя со знакомыми и незнакомыми партнерами (см., например: Мыши чувствуют чужую боль, «Элементы», 03.07.2006). То же относится и к половому поведению. Например, самки гуппи предпочитают спариваться с незнакомыми самцами (Hughes et al. 1999. Familiarity leads to female mate preference for novel males in the guppy, Poecilia reticulata, доступен PDF статьи), тогда как самки прерийных полевок и дрозофил отдают предпочтение старым знакомцам (Мухи узнают своих бывших избранников, «Элементы», 08.10.2013).

О конкретных физиологических механизмах и нейронных контурах, ответственных за различение соплеменников, известно немного. Статья японских биологов, опубликованная в журнале Science, приближает нас к пониманию того, как мозг позвоночных регулирует реакцию на сородича в зависимости от степени знакомства с ним.

Работа выполнена на хорошо изученном модельном объекте — рыбке Oryzias latipes (японской оризии, или медаке, рис. 1). Для начала авторы показали, что самцы оризии не проявляют избирательности: они с одинаковым энтузиазмом ухаживают и за незнакомками, и за теми самками, которых прежде видели через стекло. Самки же оказались более разборчивыми: они явно предпочитают знакомых самцов.

Рыбок «знакомили», помещая самца в прозрачном закрытом сосуде в аквариум к самке. При этом рыбки могли видеть, но не обонять друг друга. Чтобы оценить половую избирательность, самку и самца помещали в общий аквариум. Рецептивность самки (сексуальная восприимчивость, готовность к спариванию) оценивалась по интервалу времени между началом ухаживания и выметыванием икры. Оказалось, что у самца уходит примерно 50–80 секунд, чтобы добиться благосклонности самки, не видевшей его раньше. Если же самец самке знаком, ему достаточно поухаживать за ней всего 10–20 секунд. Пониженная восприимчивость к ухаживаниям незнакомца не зависит от того, сидела ли самка до тестирования в аквариуме одна или знакомилась с другим самцом. Не влияет на результат и то, был ли незнакомец предварительно представлен другой самке или скучал в одиночестве.

Если рассуждать с антропоцентрических позиций, то спаривание после минутного ухаживания трудно расценить как признак пониженной половой рецептивности. Но для рыбок разница между десятисекундным и минутным брачным ритуалом может быть решающей. Об этом свидетельствуют результаты конкурентных тестов, когда самку сажали в аквариум одновременно с двумя самцами — знакомым и незнакомым, а потом выясняли по генетическим меткам, кто отец получившихся потомков. В этих опытах знакомый самец оказывался отцом мальков в 70–90% случаев. В отдельной серии экспериментов было показано, что предварительное знакомство с самкой повышает шансы самца на успех даже в конкуренции с более крупным и сильным соперником.

Таким образом, самки оризии действительно отдают предпочтение тем самцам, которых они видели раньше, и это предпочтение ощутимо влияет на исход конкуренции между самцами.

В поисках генетических основ обнаруженной избирательности авторы протестировали рыбок с различными мутациями. Оказалось, что мутации, нарушающие работу генов cxcr4 и cxcr7, делают самок неразборчивыми. Самки с этими мутациями одинаково охотно спариваются и со знакомыми, и с незнакомыми самцами.

Ухватившись за эту ниточку, авторы стали распутывать клубок дальше. Гены cxcr (см. CXC chemokine receptors) кодируют рецепторные белки, от которых зависит направленное передвижение (хемотаксис) клеток как в ходе эмбрионального развития, так и во взрослом организме. На другой модельной рыбке, данио-рерио, ранее было показано, что мутации cxcr4 ведут к нарушению миграции клеток — предшественников нейронов, вырабатывающих пептидный гормон гонадолиберин, он же гонадотропин-рилизинг-гормон (Gonadotropin-releasing hormone, GnRH) — ключевой регулятор половой функции.

У рыб есть три группы нейронов, которые производят три разных варианта GnRH (рис. 2). Самая изученная из них — нейроны POA-GnRH1, тела которых находятся в преоптической области гипоталамуса. Вторая группа находится в среднем мозге (midbrain-GnRH2). Третья группа, TN-GnRH3, связана с конечным, или терминальным нервом (см. Cranial nerve zero).

Авторы изучили развитие этих трех групп нейронов у эмбрионов рыб-мутантов с нарушенной половой избирательностью. Оказалось, что мутации генов cxcr4 и cxcr7 не влияют на формирование первых двух групп, но нарушают развитие третьей. Следовательно, именно нейроны TN-GnRH3, скорее всего, регулируют половую избирательность у самок оризии.

Дальнейшие эксперименты подтвердили это предположение. В частности, оказалось, что если разрушить лазерным лучом клетки-предшественники нейронов TN-GnRH3 в мозге эмбриона, то выросшая из этого эмбриона рыбка-самка будет вести себя так же, как и самка, мутантная по cxcr4 или cxcr7. У нее будет нормальное во всех отношениях поведение, за исключением того, что она будет спариваться с незнакомыми самцами так же охотно, как и со знакомыми. Этого не происходит, если разрушить лазером какие-нибудь другие, расположенные по соседству клетки эмбрионального мозга.

Затем авторы измерили электрическую активность нейронов TN-GnRH3 у самок разного возраста при встрече со знакомыми и незнакомыми самцами. Оказалось, что эти нейроны в норме производят нервные импульсы с более или менее постоянной, невысокой частотой (1–2 импульса в секунду). Это характерно и для неполовозрелых самок, и для старых особей, уже утративших способность к размножению, и для зрелых самок при встрече с незнакомым самцом. Однако у зрелых самок, встретивших знакомого самца, активность нейронов TN-GnRH3 подскакивает до 4–5 импульсов в секунду. При этом частота импульсов положительно коррелирует с рецептивностью. Пока нейроны генерируют 1–2 потенциала действия в секунду, самка невосприимчива к ухаживаниям. Когда частота импульсов возрастает, увеличивается и рецептивность самки.

Наконец, авторы проверили, какую роль играет в этой системе GnRH3 — пептидный гормон, производимый нейронами TN-GnRH3. Для этого они сконструировали трансгенных рыбок, производящих нефункциональный вариант гормона (в нем была изменена всего одна аминокилота, но этого оказалось достаточно, чтобы все три типа рецепторов, реагирующих на гонадолиберины, перестали на него реагировать). Трансгенные самки не делали различий между знакомыми и незнакомыми самцами: с теми и другими они спаривались одинаково неохотно (лишь после долгих ухаживаний). Более того, активность нейронов TN-GnRH3 у них не возрастала при встрече со знакомым самцом, как у нормальных самок.

Полученные результаты позволили авторам реконструировать общую схему регуляции рецептивности самок в зависимости от предварительного знакомства с самцом (рис. 3). В норме нейроны TN-GnRH3 производят редкие импульсы, подавляющие рецептивность самки. Если эти нейроны удалить, рецептивность становится неизбирательно высокой. При встрече со знакомым самцом нейроны TN-GnRH3 начинают производить гормон GnRH3, что приводит к усилению их активности. Скорее всего, это происходит при участии рецепторов, реагирующих на гормон, которые находятся на тех же самых нейронах (аутокринная регуляция, см. Autocrine signalling) или на соседних (паракринная регуляция, см. Paracrine signalling). Нейроны TN-GnRH3 начинают производить более частые импульсы, что снимает блокировку рецептивности и делает самку готовой к спариванию. Если синтез GnRH3 нарушен или сам гормон нефункционален, нейроны TN-GnRH3 не активируются при встрече со знакомым самцом, и рецептивность остается низкой.

Авторам удалось расшифровать лишь один фрагмент нейронной сети, управляющей половой рецептивностью самок. Следующим шагом могла бы стать идентификация тех нейронов, которые получают сигнал от TN-GnRH3 в виде редкой или частой пульсации и реагируют на него соответствующим образом. Авторы предполагают, что этот сигнал передается не посредством GnRH3, а при помощи других нейротрансмиттеров, возможно глутамата или нейропептида FF (см. Neuropeptide FF). Однако выявить группы нейронов, регулирующих женскую рецептивность в зависимости от активности TN-GnRH3, трудно, потому что аксоны от TN-GnRH3 расходятся по всему рыбьему мозгу. В том числе они идут и к зрительным областям. Это наводит на мысль, что между TN-GnRH3 и зрительными отделами мозга может существовать сложная система обратных связей: не только зрительные области передают нейронам TN-GnRH3 информацию о том, что данного самца самка уже видела, но и возбуждение нейронов TN-GnRH3 может модулировать работу зрительного анализатора, то есть влиять на зрительное восприятие.

Данная работа — важный шаг к пониманию механизмов половой избирательности у позвоночных. Аналогичные системы в принципе могут существовать и в мозге млекопитающих, однако они должны быть устроены иначе — хотя бы потому, что у млекопитающих известно лишь два варианта гонадолиберина, GnRH1 и GnRH2, а третий вариант обнаружен только у рыб.