ЛАБОРАТОРИЯ ГЕНЕТИКИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Зав.– д. б. н. Наталья Алековна Дюжикова
Хронологию событий, связанных с историей лаборатории, можно проследить от окончания в 1933 г. строительства здания Лаборатории экспериментальной генетики высшей нервной деятельности, первого здания в составе Научного городка в Колтушах («Старая лаборатория»), которую до 1948 г. и в составе Биостанции, и в составе Института физиологии и патологии ВНД, а также Физиологического института АН СССР возглавлял проф. Е.А. Ганике – ближайший соратник И.П. Павлова.
Основной научный вектор лаборатории, заданный при ее основании, – изучение генетических и средовых детерминант поведения, остается актуальным до сих пор. Такая формулировка проблемы в те годы стала логическим этапом продолжения исследований, которые проводились в Институте экспериментальной медицины под руководством И.П. Павлова, выявивших у собак индивидуальную изменчивость основных свойств нервных процессов – возбудительного и тормозного по параметрам, обозначенным И.П. Павловым как сила-слабость и подвижность-инертность, их сочетаний (типы нервной системы). На поведенческом уровне это определяет агрессивность, пугливость, трусость. Конкретная задача заключалась в изучении характеристик наследования основных свойств нервных процессов с использованием селекционного метода.
Анализ накопленных фактов позволил выявить их генетическую обусловленность, а также значимость условий воспитания, формирующих склад высшей нервной деятельности, фенотип (характер). Была экспериментально доказана возможность усовершенствования основных свойств нервных процессов под влиянием упражнения (тренировки).
Большое внимание уделялось разработке методических подходов для исследования функциональных особенностей нервной системы, которые могут передаваться по наследству. Е.А. Ганике наряду с разработкой звуконепроницаемых камер, установок, научной аппаратуры для исследования условных рефлексов у собак, предложил оригинальные методики изучения высшей нервной деятельности лабораторных мышей, в частности, методику механической регистрации двигательной активности, что позволило уже после кончины И.П. Павлова расширить исследования по проблемам наследования основных свойств нервных процессов на мышах.
В начале 1950-х гг. лаборатория объединяет в своем составе две группы, первая – вышедшая из лаборатории физиологии и генетики типов ВНД, возглавляемой В.К. Красуским, вторая – группа физиологии ВНД грызунов под руководством В.К. Федорова. Заведующим лабораторией становится проф. В.К. Красуский. В лаборатории продолжается исследование проблем направленного изменения ВНД, типологии нервной системы животных и человека в норме и при патологии. Совершенствуются методики определения типа нервной системы у собак (сокращенный стандарт), изучается подвижность нервных процессов у собак и мышей в норме и после малых доз радиации, ее наследование. Исследуют действие на ВНД ряда психоактивных веществ для практического использования в клинике.
В 1962 г. руководство лабораторией переходит к проф. В.К. Федорову, лаборатория приобретает современное название – лаборатория генетики ВНД. В этот период достигнуты большие успехи в изучении генетики подвижности нервных процессов. В 1973 г. за указанный цикл исследований В.К. Федоров был удостоен премии имени И.П. Павлова АН СССР.
Существенным дополнением к этим исследования явились исследования Л.В. Крушинского, показавшего значение уровня возбудимости нервной системы в реализации поведения животных, что подтвердило мысль И.П. Павлова о значении оптимального уровня возбудимости в деятельности нервной системы.
С 1973 по 2000 гг. лабораторию возглавляет д. б. н., проф. Н.Г. Лопатина. Она инициировала переход лаборатории к изучению роли конкретных генов, в первую очередь, контролирующих возбудимость – наиболее универсальное для всего живого свойства нервной системы, на ее функции, обучение и память. Универсальность этого свойства позволила расширить рамки исследования и провести их на животных разного филогенетического уровня развития нервной системы (дрозофила, пчела, лабораторные грызуны – мыши, крысы) по единому плану. В исследованиях на разных географических расах пчел (Н.Г. Лопатина, Е.Г. Чеснокова) показана высокая положительная корреляция между порогами возбудимости кожно-мускульного мешка, сенсорного отдела и пищевой возбудимости, позволившая разделить изучаемые расы на уровне поведения по характеру их посещения источника пищи на монофлеров и полифлеров. В исследованиях на инбредных линиях мышей была выявлена четкая положительная корреляция между порогами возбудимости, ориентировочно-исследовательской активностью и характером обучения условному рефлексу активного избегания (д. б. н. Ю.С. Дмитриев).
Была начата селекция линий крыс по порогу возбудимости большеберцового нерва (д. б. н. А.И. Вайдо). На полученных линиях с высоким и низким порогами возбудимости (ВП, НП) показано, что селекция по нервно-мышечной возбудимости привела к однонаправленному изменению порогов возбудимости и в центральных отделах нервной системы, что дало возможность сделать заключение о вкладе генов, контролирующих пороги возбудимости в определение функционального состояния нервной системы в целом и их плейотропном действии на различные механизмы функционирования мозга и поведение, разные звенья гормональной регуляции, метаболизм нейромедиаторов, структурно-функциональные особенности нервных клеток, ионных каналов, что влияет и на степень чувствительности к стрессорным воздействиям (д. б. н. А.И. Вайдо, к. б. н. Н.В. Ширяева в сотрудничестве с лабораториями института и других организаций). Были выявлены цитогенетические и молекулярные характеристики развивающегося и зрелого мозга, определены факторы предрасположенности к развитию длительных постстрессорных нарушений поведения.
Исследовали роль генов метаболизма полифункциональных биологически активных соединений (цАМФ) (дрозофила), а также метаболизма кинуренинов (пчела) на функции нервной системы, поведение, обучение и память.
В исследованиях на дрозофиле были индуцированы, выделены и локализованы температуро-чувствительные мутации генов, контролирующих метаболизм цАМФ (группа д. б. н. Е.В. Савватеевой-Поповой). Показано участие этих генов в наследственной детерминации уровня двигательной активности и способности к выработке оборонительных условных рефлексов на запаховые раздражители. Поиск биохимических коррелятов обучения привел к выяснению важности системы цАМФ-калмодулин в поддержании определенного уровня возбудимости, в обеспечении успешности обучения и к выявлению генов метаболизма цАМФ. В 1997 г. группа д. б. н. Е.В. Савватеевой-Поповой была выделена в Сектор, а в 1999-м – в лабораторию нейрогенетики для развития исследований молекулярно-генетических механизмов регуляции нейрональной пластичности.
В исследованиях на пчеле были использованы природные мутации генов, контролирующих последовательные этапы метаболизма триптофана по кинурениновому пути. Эти исследования позволили выявить нейроактивную роль, специфическую (возбуждающую-тормозную) для каждого из кинуренинов (кинуренин, кинуреновая кислота, дезоксикинуренин и др.) и впервые показать их влияние на комплекс признаков, включающих успешность обучения (память), скорость созревания функциональных особенностей нервной системы в онтогенезе и продолжительность жизни. Впервые выявлена роль рецепторов L-глутамата (ионотропных и метаботропных), их субъединиц, как одного из биохимических каналов влияния генов кинуренинового пути обмена триптофана на функции нервной системы и поведение (обучение, память).
Под руководством д. б. н. С.Н. Новикова совместно с кафедрой генетики и селекции биолого-почвенного факультета ЛГУ им. А.А. Жданова (Р.И. Цапыгина, Е.В. Даев) с 1983 по 1993 г. в лаборатории проводили исследования генетических аспектов феромонального контроля агрессивного поведения и репродуктивных функций у мышей.
На базе Клиники неврозов (15-ая линия Васильевского острова) сотрудниками лаборатории к. б. н. В.Ф. Михеевым и к. б. н. А.А. Ивониным разрабатывались проблемы нейрогенетики и генетики поведения человека. На моно- и дизиготных близнецах выявлено существенное влияние генетических факторов на успешность запоминания несловесных сигналов, генетическая обусловленность некоторых нейрофизиологических механизмов памяти и характера вегетативного обеспечения следовых процессов (ЭКГ, КРГ). С помощью генеалогического метода была выявлена генетическая предрасположенность к патологическим невротическим реакциям.
С 2000 по 2016 г. лабораторией заведовал д. б. н. А.И. Вайдо, который заложил основы нового направления исследований – зависимых от возбудимости нервной системы дифференциальных постстрессорных структурно-функциональных модификаций хромосом, лежащих в основе дезинтеграции мозга и поведения при нейропатологиях, изучения эпигенетических механизмов специфической и неспецифической адаптации. А.И. Вайдо селектировал и многие годы поддерживал линии крыс с высокой и низкой возбудимостью нервной системы. В 2020 г. линии были признаны селекционным достижением, получены авторские свидетельства и патенты. В настоящее время линии широко востребованы в качестве генетических моделей нейропатологий.
В этот период на модели простых нервных систем у пчел в условиях ассоциативного обучения изучали и выявили вовлечение процессов метилирования ДНК, метилирования и фосфорилирования гистонов в структурах головного ганглия в формирование долговременной памяти, а также роль глутаматных рецепторов (отдельных субъединиц, их коактивации) в реализации пластических процессов в нервной системе (к. б. н. Т.Г. Зачепило).
С 2016 г. под руководством д. б. н. Н.А. Дюжиковой продолжаются исследования зависимых от наследственно обусловленной возбудимости нервной системы молекулярно-генетических и эпигенетических механизмов долговременной памяти, связанной с обучением и реакцией на стрессорные воздействия.
В последние годы лаборатория развивает новое направление – нейрогеномика патологических состояний (д. б. н., проф. Н.Н. Кудрявцева, к. б. н. М.Б. Павлова, к. б. н. И.Г. Шалагинова). В разных отделах головного мозга выявляют зависимые от уровня возбудимости дифференциально экспрессирующиеся гены, вовлеченные в патогенез постсрессорных расстройств тревожного и депрессивного спектра, сопутствующих иммунных дисфункций, связанных с нейровоспалением и нарушением микробиоты кишечника (к. б. н. И.Г. Шалагинова, А.Э. Вылегжанина). Определяют вклад конкретных генов в индивидуальную предрасположенность к их развитию у линий крыс с контрастной возбудимостью нервной системы (и стандартных линий мышей) с использованием транскриптомного анализа и современных молекулярных методов. Ведется поиск молекулярных мишеней для индивидуализированных фармакогеномных подходов к профилактике и терапии нейропатологий.
Исследуются также механизмы уязвимости к стрессорным воздействиям на уровне целостности генома в ЦНС (д. б. н., проф. Е.В. Даев, В.Д. Щербинина). С использованием методов кометного электрофореза в связи с наследственно обусловленным уровнем возбудимости нервной системы изучают степень повреждений ДНК и эффективность процессов репарации в разных отделах мозга в долгосрочной динамике после стрессирования у крыс.
Еще одно направление лаборатории связано с исследованием функций микроРНК в ЦНС моллюска Helix pomatia при формировании условных оборонительных рефлексов, в том числе в процессе развития, в отдельных структурах и нейронах с различной функциональной ролью в формировании долговременной памяти (д. б. н. Л.Н. Гринкевич).
Проводится исследование AMPA-подобных ионотропных глутаматных рецепторов, участвующих в формировании ассоциативной памяти у пчел, определение эпигенетических модификаций и транскрипционных факторов, регулирующих их экспрессию (к. б. н. Т.Г. Зачепило).
В результате многолетних исследований лаборатории получен обширный материал, свидетельствующий о важности регулирующего влияния врожденного функционального состояния нервной системы (возбудимости) на жизнедеятельность организма на разных уровнях, от поведенческого до молекулярно-генетического, что необходимо учитывать широкому кругу специалистов- медикам, педагогам, психологам.
Лаборатория располагает собственным виварием для содержания и разведения крыс оригинальных линий с контрастной возбудимостью нервной системы и оборудованием для измерения порога возбудимости большеберцового нерва и болевой чувствительности у крыс. На территории вивария Института расположена экспериментальная пасека и помещения для исследования условно-рефлекторной деятельности пчел.
В лаборатории налажен ряд физиологических, цитогенетических, гистологических, иммунохимических, молекулярно-генетических методов. Используются модели психоэмоциональных стрессорных воздействий и формирования тревожно-депрессивных патологических состояний у крыс. Поведенческие тесты для крыс включают: открытое поле, приподнятый крестообразный лабиринт, водный лабиринт Морриса, тест Порсолта, темно-светлую камеру и др.
Лаборатория осуществляет активное научно-техническое сотрудничество с Балтийским федеральным университетом им. И. Канта (Калининград), Российским государственным педагогическим университетом им. А.И. Герцена, Санкт-Петербургским государственным университетом, Инситутом цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск), ООО «Геноаналитика» (Москва).