Глава 4

Бойцовский клуб плодовых мушек

Как два гладиатора напряженно кружат друг вокруг друга на песке римского Колизея, так и два самца дрозофилы стоят лицом к лицу на кормовой площадке в миниатюрной закрытой установке, потряхивая своими крылышками. Внезапно вспышка пульсирующего красного света освещает их, посылая фотоны через полупрозрачную кутикулу в их мозг. Глубоко внутри похожего на джунгли переплетения нервных волокон несколько нейронов пробуждаются от бездействия и начинают генерировать импульсы. Электрические импульсы распространяются по аксонам, перескакивая от синапса к синапсу, возбуждая другие нейроны, расходясь вдоль разветвленных путей по всему мозгу, как вспышки молний в грозу над темной долиной.

Выйдя из оцепенения, мушки движутся друг к другу. Приблизившись, они протягивают вперед покрытые щетинками лапки, словно слепые, прокладывающие себе путь через полосу препятствий. Вдруг один самец поднимается на задние лапки и жестоко обрушивается на другого. Получив удар, соперник отступает. В одно мгновение атака заканчивается. Однако, похоже, не удовлетворившись этим, агрессор снова набрасывается на свою жертву, многократно ее толкая. Он наскакивает снова и снова, оттесняя противника к краю кормовой площадки, на которой они стоят.

Красный свет продолжает мигать. После нескольких атак самец, казавшийся побежденным, поднимается и поворачивается к противнику. При следующем выпаде он тоже поднимается на задние лапки, чтобы отразить удар, и захватывает передние конечности агрессора. Нападающий парирует, и две мухи начинают бороться, как спарринг-партнеры. Теперь противники схватываются друг с другом, сцепившись ногами; пара крутится то в одну, то в другую сторону, пока не падает, сплетенная, на пол арены, яростно дергаясь. Распутавшись, они расходятся и набрасываются друг на друга снова и снова, видимо, не в силах противостоять желанию расправиться с противником.

Внезапно красный свет гаснет, и, подобно грозе, переходящей в моросящий дождь, атаки становятся реже — отдельные выпады то тут, то там, парируемые поднятой задней лапкой или взмахом крыла. В глубине мозга потоки импульсов в чаще волокон медленно затихают. Вещества, выброшенные в синаптические щели, рассеиваются и исчезают. Постепенно противники удаляются друг от друга, как бы недоумевая по поводу только что случившегося. Со временем они начинают приводить себя в порядок, потирая передними лапками головы и рубиновые фасеточные глаза. Вскоре они — видимо, непострадавшие — возобновляют свое питание и, не обращая внимания друг на друга, жадно слизывают своими крошечными хоботками агар с яблочным соком, на котором стояли.

Затем снова зажигается красный свет, и битва мгновенно возобновляется.

Почему красный свет заставляет мух драться? Вообще-то — не заставляет, на самом деле мухи почти не видят красного света. Мы воспользовались этим, чтобы встроить в мозг мухи переключатель нейронов, который можно включать и выключать вспышкой красного света и который во включенном состоянии побуждает мух к драке. Как нам удалось найти этот переключатель и встроить его в такой крошечный мозг? И служит ли эта яростная битва выражением гнева или злости, или это просто запрограммированная последовательность действий, как в игрушке Rock 'Em Sock 'Em, которую рекламировали по телевизору, когда я был мальчишкой?

Чтобы провернуть этот трюк, нам пришлось генетически запрограммировать нейроны, отвечающие за агрессию у мух, так, чтобы они активировались красным светом. То есть сначала надо было выяснить, какие нейроны нужно запрограммировать, чтобы вызвать агрессию, затем найти способ их генетического программирования и, наконец, активировать эти нейроны красным светом. Это может показаться научной фантастикой, но в наши дни это довольно обычная техника в нейробиологических исследованиях на плодовых мушках. С помощью такого подхода ученые могут включать определенные нейроны светом и управлять мухами, заставляя их есть, чиститься, прыгать или исполнять брачную песню, вибрируя крыльями. Мы даже нашли нейроны, включение которых вызывает эрекцию (у самцов мух есть эдеагус — орган вроде пениса) и эякуляцию. И да, это именно то, чем я зарабатываю на жизнь.

Чтобы появилась возможность провести такой эксперимент, требуются годы исследований и тяжелой работы. Но прежде чем я раскрою, так сказать, секрет этого волшебства, мне бы хотелось обсудить важный вопрос: зачем все это надо? Мы действительно пытаемся узнать что-то из этих экспериментов или это просто очень изощренные дурацкие трюки, которыми занимаются скучающие ученые от нечего делать? Разве не следует таким людям, как я, заняться лечением рака или болезни Паркинсона вместо того, чтобы устраивать мушиный бродячий цирк? Это законный и серьезный вопрос, требующий серьезного ответа, особенно учитывая, что часть ваших налогов через Национальные институты здравоохранения идет на финансирование подобного рода исследований.

Такие люди, как я, стали нейробиологами в первую очередь потому, что нас всегда завораживало, как работает мозг. Выяснить, как устроен мозг, — чрезвычайно сложная научная задача, сложность этой темы затмевает все, что когда-либо пытались понять люди в космологии, физике элементарных частиц, квантовой химии или клеточной биологии. Поэтому расшифровка нейронных кодов мозга — такая же важная фундаментальная задача, как и расшифровка генетического кода. Когда ученые взломали генетический код, наше понимание и технологические возможности вышли на новый уровень, что позволило улучшать здоровье человека: например мРНК-вакцины против COVID-19 были разработаны и внедрены менее чем за год. Понимание работы мозга поможет нам разработать новые лекарства от недугов, лечение которых до сих пор не увенчалось успехом, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрения, расстройства аутистического спектра, депрессия.

«Все это прекрасно, — подумаете вы, — но какое отношение к этому имеют дерущиеся плодовые мушки?» В краткосрочной перспективе, может быть, и не очень большое. Но цель этих работ не в непосредственном медицинском применении. Главная задача — достичь базового понимания функционирования самого сложного устройства, появившегося в процессе эволюции. Помимо стремления к этой высокой цели, можно заметить, что многие работы, удостоенные Нобелевской премии, например за открытие технологии редактирования генов CRISPR/Cas9 или зеленого флуоресцентного белка, начинались с базовых научных вопросов про простые организмы: «Как у бактерий возникает устойчивость к вирусам?» или «Почему медуза светится в темноте?».

И тут мы возвращаемся к основному вопросу о том, что заставляет муху драться. Аналогично тому, как мы спрашивали про механизм страха в главе 3, спросим: дерутся ли мухи потому, что они генетически запрограммированы атаковать, когда чувствуют своими усиками определенный феромон (как принято считать в отношении агрессии у муравьев-кочевников)? Или же у них есть внутреннее состояние, подобное ярости (любители пикников здесь могут вспомнить осу, жужжащую около их бургеров, которая только сильнее «злится» в ответ на попытки ее отогнать)? А может быть, это комбинация обоих вариантов?

Прежде чем углубиться в эти вопросы, давайте кратко рассмотрим, почему плодовые мушки вообще дерутся. Разве они не миролюбивые маленькие существа, жужжащие над виноградом или бананом? В основном да, но иногда возникает конфликт, и тогда они нападают. Мухи, как и люди, дерутся тогда, когда есть что-то, некий ресурс, за который надо драться. Таким ресурсом может служить пища, территория, неоплодотворенные самки (для самцов), оптимальное место для откладки яиц (для самок). Драка происходит, если муха обнаруживает этот ресурс вместе с представителем своего вида (конспецификом), который конкурирует с ней за доступ к тому же ресурсу. Когда эти два условия совпадают, предположительно, в мозге активируется некий набор нейронов, которые можно считать детекторами конфликта, и их активность открывает нейронные «ворота», позволяющие проявить агрессию. Где эти ворота расположены в мозге и как они работают, неизвестно, но мы бы очень хотели это выяснить.

Еще один момент, который важно понимать про агрессию у мух: это не драка до смерти. Плодовые мушки даже укусить друг друга не могут, ведь у них, в отличие от муравьев, нет челюстей. Их битва, скорее, похожа на борьбу сумо: толчки и выпады, где конечная цель — вывести противника из равновесия и оттолкнуть его от ресурса, который особь пытается защитить или потребить. И хотя проигравшие мухи не получают травм, у них формируется нечто вроде «комплекса неудачника», который увеличивает вероятность проиграть в следующей схватке. А муха, выигравшая бой, получает преимущественный доступ к ресурсу — по крайней мере до тех пор, пока не появится конкурирующая особь.

Это все выглядит очень практично и функционально, как минимум для мух, но не очень «эмоционально». Но все же, когда смотришь замедленное видео с большим увеличением и видишь, как самец поднимается на задние лапки, вытянув передние, расправляет сзади крылья, ненадолго замирает на вершине своей траектории, затем яростно обрушивается на противника и жестоко трясет его, трудно отделаться от впечатления, что агрессором движет злоба. Конечно, это очеловечивание мушек. Тем не менее, если жертва отбивается, часто интенсивность потасовки возрастает, мухи встают и, кажется, фехтуют или боксируют друг с другом с помощью передних конечностей, а иногда сцепляются, превращаясь в извивающуюся массу ног и крыльев, катаясь по полу своей арены, как два пьяных ковбоя, валтузящие друг друга в грязи. Очевидно, что такое поведение сопровождается каким-то возбуждением или активацией — если не мушиной версией гнева или ярости, то по крайней мере каким-то внутренним состоянием агрессивности. Мы хотели бы выяснить, есть ли на самом деле некое внутреннее состояние, которое побуждает мушек драться, понять, как это состояние возникает в мозге, и определить, является ли оно специфичным для агрессии, или это общее состояние возбуждения, которое питает множество разных типов поведения. В данный момент лучшее, что можно предпринять для ответа на эти вопросы, — попробовать найти в мозге мух нейроны, отвечающие за агрессию. Как только мы это сделаем, то сможем выяснить, специфичны ли эти нейроны для агрессии, или они контролируют и другое поведение (если да, то какое). В перспективе мы хотим выявить полную схему работы системы с этими нейронами, включая сенсорные клетки на усиках, позволяющие самцу почувствовать запах другого самца или неоплодотворенной самки, внутренние нейронные цепочки, обрабатывающие полученную информацию и принимающие решение драться или спариваться, и нейроны, исполняющие это решение и передающие его группе двигательных нейронов брюшной нервной цепочки (мушиный эквивалент спинного мозга), которые, в свою очередь, реализуют программу действий для нападения.

Как подойти к решению этой сложной задачи, особенно учитывая миниатюрность мозга животного, которое само по себе не больше рисового зернышка? Мы знаем, что в целом нейронные цепочки состоят из отдельных клеток с отростками — аксонами, — которые, как провода, соединяют через синапсы все нейроны в единую сеть. И гораздо проще начать с поиска одного из таких нейронов, чем пытаться выявить всю сеть. Есть надежда, что, найдя одну клетку, отвечающую за агрессию, мы уже получим некую зацепку. Затем можно выяснить, с какими нейронами связан найденный, двигаясь по цепочке вверх и вниз. Для каждого нового нейрона можно определить, участвует ли он только в агрессии или контролирует и другое поведение. Также можно попытаться выяснить, контролирует ли этот нейрон только непосредственно двигательный компонент агрессивного поведения или участвует в создании некоего внутреннего состояния агрессивности. И даже если он только запускает нападение, можно последовать по цепочке связей вверх и найти другие нейроны, контролирующие состояние агрессивности.

Так как же найти эти нейроны агрессии? Допустим, что у мухи порядка 100 000 нервных клеток, — найти среди них маленькую группу нейронов, контролирующих агрессию, кажется не проще, чем найти иголку в стоге сена. В нейронауке традиционно используют два подхода, если хотят найти такую иголку — ну или хотя бы найти ту область стога, где она спрятана. Во-первых, можно провести сканирование мозга или запись его электрической активности, чтобы выявить нейроны, чья активность коррелирует с определенным поведением, то есть они начинают работать, когда у животного запускается определенное поведение, и останавливают работу вместе с прекращением этого поведения. Однако очень трудно это проделать на дерущихся плодовых мушках, так как они маленькие и двигаются довольно быстро. И в любом случае этот подход только покажет вам, что активность определенных нейронов коррелирует с поведением, но не объяснит, является ли активность нейронов причиной поведения, или, наоборот, поведение служит причиной активности нейронов.

Чтобы обойти эту проблему, нейробиологи используют и другой подход для поиска нейронов, управляющих определенным поведением. Они выборочно стимулируют разные нейроны и смотрят, какие запустят интересующее поведение, или же выборочно тормозят нейроны и смотрят, торможение каких нейронов заблокирует нужное поведение. В этом методе заложена возможность выявления причинно-следственных связей. Такой подход стал широко известным в 1920-х годах благодаря работам швейцарского физиолога Вальтера Гесса, который обнаружил в мозге кошки область, отвечающую за шипение и оскал. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию (подробнее об этом в главе 6). К сожалению, металлические стимулирующие электроды Гесса были больше, чем весь мушиный мозг. Итак, если мы хотим применить такой подход к мухам, то нам нужен способ стимулировать определенные нейроны в разных областях их мозга без физического введения электродов внутрь.

Некоторые из вас, возможно, спросят: «Что значит "определенные нейроны"?» (если вы не спросили, то пропустите этот абзац). В мозге мухи около 100 000 нейронов примерно 5000 разных типов, или подклассов, в каждый из которых попадает где-то от 1 до 20 клеток. У каждого типа нейронов своя характерная морфология — количество отростков и способ их ветвления. Эти характеристики одинаковые у разных мух (рис. 4.1). Более того, разные типы нейронов связаны между собой определенными синапсами, и это тоже устроено одинаково у разных мух. Разные типы нейронов различаются по тому, какие гены в них экспрессируются. В геноме мух около 20 000 генов (примерно столько же, сколько и в человеческом геноме), из них в каждом типе клеток, вероятно, экспрессируется (работает) около 10 000–15 000. Однако в каждом типе нейронов экспрессируется свой набор из 10 000 генов, и это отличает типы друг от друга. Какие гены будут работать, определяется неким молекулярным «почтовым индексом» генетических инструкций. Если вы узнали правильный индекс, вы сможете визуализировать все нейроны этого типа и манипулировать с ними у любой мухи снова и снова. Нейроны в мозгу мыши или человека, за редким исключением, устроены не так стереотипно, поэтому мозг млекопитающих более сложен для изучения, чем мозг мушек.

Благодаря работе, проделанной мушиным генетиком Джеральдом Рубином из Медицинского института Говарда Хьюза, теперь возможно генетически «пометить» почти любой тип нейронов в мозге мухи по коротким фрагментам ДНК, на которых записан молекулярный «почтовый индекс» этих клеток. Эти фрагменты ДНК расположены в разных генах, которые специфически включаются в нейронах определенного типа. Таким образом, ориентируясь на разные фрагменты ДНК, можно «пометить» разные подклассы нейронов. Кроме того, они позволяют управлять этими нейронами так, что нейроны определенного типа можно увидеть под микроскопом (встроив в них зеленый флуоресцентный белок медузы, который делает клетку мигающей в темноте) или активировать и тормозить с помощью включения света (используя оптогенетику). В принципе, если вы знаете «почтовые индексы» для каждого типа клеток, вы сможете проверить любую группу нейронов в мозге мушки, чтобы выяснить, вызывают ли они агрессию (и, в сущности, любое другое поведение). Вернемся к вопросу, как мы смогли заставить двух мирных мух сражаться друг с другом, просто включив красный свет. Как генетически запрограммировать нейрон так, чтобы он активировался при помощи красного света? И в первую очередь, откуда мы знаем, какой «почтовый индекс» у этих нейронов?

Ответ на первый вопрос кроется в использовании метода оптогенетики, суть которого, как я уже упоминал, в искусственной активации нейронов с помощью света. Поскольку этот метод произвел настоящую революцию в нейронауке и, видимо, принесет своим изобретателям Нобелевскую премию, я сделаю небольшое отступление и объясню, как он работает (более подробно см. главу 6). Суть в том, что берут ген, кодирующий светочувствительный белок опсин у микроорганизмов (бактерий или одноклеточных водорослей), и встраивают этот ген в нейрон (или в 10 нейронов, или в 1000) в мозге другого организма (мухи, червя, мыши и т.д.). Классический опсин — канальный родопсин ChR2 — белок, располагающийся в липидной мембране нейрона, покрывающей его со всех сторон на манер мыльного пузыря. У этого белка есть особая способность: он может поглощать фотоны синего света и преобразовывать их энергию в изменение заряда на мембране. Это происходит за счет открытия канала на мембране, через который внутрь и наружу могут проходить ионы натрия и калия, отсюда и название белка. Таким образом, если осветить синим светом нейрон, экспрессирующий ChR2, он изменит свой мембранный потенциал и разрядится нервным импульсом. В свою очередь, активируются и нейроны, связанные с этой клеткой. Если эта нейронная цепочка контролирует какое-то поведение, то у животного оно проявится. Так, включая и выключая свет, можно переключать поведение буквально по щелчку пальцев. Это удивительно и потрясающе, и теперь вы, возможно, спросите, как узнать, в какой нейрон надо встроить ген опсина в первую очередь. Если лишь несколько нейронов из 100 000 контролируют агрессивное поведение, как мы сможем их найти? И вот тут-то именно у мух мы довольно эффективно найдем эту нейронную иголку в стоге сена.

Хитрость заключается в том, что вам не надо сначала искать иголку, то есть интересующие вас нейроны, а потом генетически перестраивать их так, чтобы в них работал (экспрессировался) ген вашего любимого опсина, который будет активировать клетки в ответ на свет. Вам надо систематически встраивать опсин по очереди в каждый тип нейронов в мозге мушек, а затем проверять, контролируют ли нейроны этого типа агрессию, просто наблюдая, будут ли мухи драться, если включить свет. Разумеется, вы делаете это не с одной и той же мухой, для каждой мухи вы используете отдельный генетический «почтовый индекс», чтобы поместить опсин только в 50–100 конкретных нейронов, помеченных именно этим индексом. Более того, вы не можете протестировать только одну муху для каждого типа индекса, вы создаете целые семьи, или линии, мух, где у всех представителей используется одинаковый ДНК-индекс и, следовательно, опсином помечены одни и те же нейроны. Это позволяет тестировать несколько мух с одинаковым индексом, чтобы убедиться в воспроизводимости любого положительного результата. Поскольку существует около 3000 различных ДНК-индексов, то, если вы создадите по одной линии мух для каждого, у вас будет 3000 различных линий мух для тестирования. В совокупности эта «библиотека» генетически модифицированных линий мух позволит вам протестировать, в принципе, все виды нейронов в мозге мухи. Это и есть ваш стог сена.

Чтобы найти в нем иголку, необходимо иметь возможность быстро протестировать около десятка мух из каждой линии: так вы узнаете, будут ли они драться, когда вы освещаете их красным светом. И если мухи начнут драться — вы у цели. Значит, среди помеченных 50–100 нейронов в мозге мухи есть по меньшей мере одна клетка, активация которой вызывает агрессию. И это уже повод отпраздновать — может быть, еще не бутылкой шампанского, но хотя бы банкой пива.

На генетическом жаргоне такой метод поиска называется скринингом (от английского слова screen — «сито»), как если бы вы просеивали песок через сито в надежде найти драгоценный камень. Прелесть этого метода в том, что вы можете вслепую проверить весь мозг мухи в поисках нужных вам нейронов, если наберете достаточное количество мух. Говоря «вслепую», я имею в виду, что вам не нужно угадывать или знать заранее, какие именно нейроны помечены каждым из «почтовых индексов». Вы просто позволяете поведению, вызванному оптогенетической стимуляцией, направить вас к дерущимся мухам. Затем вы можете открыть коробочку и посмотреть, что внутри: какие нейроны были помечены, где они расположены и с какими другими нейронами связаны.

Подобный анализ невозможно провести на мышах или крысах. Это потребовало бы тысяч животных, огромного помещения, чтобы их содержать, десятков лаборантов, которые будут кормить грызунов и чистить их клетки, все это будет непомерно дорого, не говоря уж об отвратительном запахе. А кроме того, у нас пока нет даже индексов для всех типов мышиных нейронов. На это потребуются годы или даже десятилетия.

Даже в случае мух, когда можно содержать все 3000 линий в помещении размером с большую кладовку и кормить их автоматически, это огромная работа. Однако самое трудоемкое — наблюдать за каждой мухой и оценивать, будет ли она драться при включении красного света. Чтобы сделать это вручную, нужно отсмотреть тысячи видеозаписей, снятых с частотой 30 кадров в секунду, проглядывая каждый кадр, чтобы заметить выпад (действие, когда муха поднимается и обрушивает на своего противника удар, который она совершает при нападении). Даже с десятком аспирантов на это ушли бы годы. Чтобы обойти эту проблему, мы с моим коллегой по Технологическому институту Пьетро Пероной, который занимается исследованиями в области искусственного интеллекта, разработали метод автоматического обнаружения драк у мух с помощью компьютерного зрения и машинного обучения. Вы загружаете видео с сотнями мух в компьютер, отправляетесь домой, и (если все идет хорошо) на следующее утро программа выдает, какие мухи (если таковые были) проявляли агрессию. Это значительно облегчает поиски иголки в стоге сена.

Такой подход позволяет прояснить важный общий вопрос: управляется ли агрессия многоцелевой нейронной сетью, которая также контролирует и другие формы поведения (как компьютер в вашем смартфоне может запускать разные приложения), или в мозге мухи есть специальные нейронные цепочки, отвечающие за агрессию? Другими словами, агрессия — это «железо» или софт? Если софт, то нейроны, участвующие в формировании агрессии, должны быть относительно распространенными и, следовательно, мы увидим, что во многих из 3000 линий активация нейронов запускает драку. Однако такого мы не обнаружили. Напротив, мой бывший постдок Эрик Хупфер обнаружил, что всего в 20 из 3000 протестированных линий (то есть у 0,6﹪) при активации нейронов проявлялась агрессия. Это означало, что агрессия, скорее всего, управляется небольшой специализированной нейронной цепочкой, генетически заданной в устройстве мозга. Нашей задачей было найти и описать эту цепочку.

На следующем этапе мы выбрали один из наших самых многообещающих «хитов» — линию мух, которые становились очень агрессивными, когда их нейроны активировали, — и определили, какие именно клетки делают мух воинственными. Чтобы найти среди клеток «зачинщиков», надо было проверить около 50 нейронов. Короче говоря, в итоге мы свели все к маленькой группе из трех нейронов с каждой стороны мозга (то есть всего их было шесть). Активация этих шести нейронов заставляла драться практически каждую протестированную муху. Насколько мы могли судить, эти нейроны не оказывали влияния на другие виды поведения, которые мы проверяли: кормление, чистку, ходьбу, полет, избегание мухобойки или спаривание. Более того, эти нейроны присутствовали только у самцов, у самок их не было (подробнее про половые различия агрессивного поведения будет далее).

Полученный результат позволял использовать эту группку нейронов как отправную точку для исследования в мозге нейронных цепочек, контролирующих агрессию. И именно это мы и рассчитывали найти, начиная скрининг 3000 линий мух. Но, прежде чем двигаться дальше, надо было ответить еще на один важный вопрос: имеют ли эти нейроны отношение к агрессии, возникающей естественным путем? В конце концов, мы установили их роль только в искусственно вызванной агрессии. Нас смущало, что, возможно, эта искусственная активация создает в мозге некий ненормальный нейронный шторм, который возбуждает мух так, что они начинают драться.

Мы могли исключить такую возможность, вырастив мух в условиях, где проявлялась естественная агрессия, а затем проверить, будет ли торможение этих нейронов блокировать драку у мух. Для этого необходимо было найти условия, способствующие агрессии, и затем выяснить, как заблокировать работу только этих шести нейронов.

Чтобы сделать мух естественно агрессивными, мы выращивали их в условиях социальной изоляции. Что я имею в виду? Как правило, в лаборатории мушки вылупляются в маленькой пробирке, где ползающие личинки превращаются в куколок, из которых выходят мухи, как бабочки из кокона (только мухи в сто раз мельче и намного уродливее). Это означает, что с момента выхода из куколки они встречаются с другими мухами — и самцами, и самками. Оказывается, мухи, выращенные в таких группах, очень спокойные и почти никогда не дерутся. Действительно, для скрининга нейронов, отвечающих за агрессию, мы специально выращивали мух так, чтобы минимизировать спонтанные стычки. Но если пинцетом отделить куколку и перенести ее в чистую пробирку — так, чтобы вылупившаяся муха оказалась в полном одиночестве, — то такие социально изолированные мухи оказываются крайне агрессивны, если тестировать их в паре с другой особью (неважно, жившей в изоляции или нет).

Чтобы заблокировать работу этих шести нейронов у таких агрессивных мух, мы генетически перепрограммировали их (с помощью ДНК-индекса), заменив ионный канал так, что теперь положительный заряд (в виде ионов калия) «утекал» из клетки. Это затрудняло возбуждение данной клетки другими нейронами. Таким образом, если эта клетка находится в цепочке, обеспечивающей агрессию при прохождении по ней электрического импульса, то теперь, дойдя до нее, поток импульсов прекратится, так же как большая дырка в садовом шланге помешает воде течь по шлангу дальше.

Итак, мы перепрограммировали наших мух, встроив им тормозной ионный канал в эти шесть нейронов, скрестили мух между собой и вырастили потомков в социальной изоляции. Затем мы взяли этих социально изолированных мух и поместили в арену на кусочек корма. В норме, как только социально изолированные особи вступают в контакт, они сразу начинают драться: гоняются друг за другом и наносят удары, пока одна из них не победит. Примечательно, что мухи с тормозным калиевым каналом, встроенным в заданные шесть нейронов, не дрались. Они просто стояли вокруг и слизывали свой агар с яблочным соком. Выключив эти шесть нейронов, мы получили мух-«пацифистов».

Этот важный эксперимент показал, что данные нейроны необходимы для естественного проявления агрессии. Если их выключить, в этом месте электрические импульсы перестанут распространяться по цепочке. С другой стороны, если мы искусственно активируем их с помощью оптогенетики и красного света, то это запустит поток импульсов от них по цепочке дальше, что сделает спокойную муху, выращенную в группе, такой же агрессивной, как изолированная. Таким образом, активации этих нейронов достаточно для обеспечения агрессивного поведения у изначально неагрессивных животных. Эти взаимодополняющие критерии — функциональная необходимость и достаточность — являются двумя столпами причинно-следственных отношений, на которых строится изучение любой биологической функции. Это само по себе не говорит вам, что именно делает нейрон и как все работает, но показывает, что он критически важен для изучаемого процесса и поэтому заслуживает дальнейшего исследования.

Дальнейшее изучение идентифицированных нейронов повело нас в неожиданном направлении и дало удивительные результаты, которые могут иметь значение для психического здоровья. В работе моего бывшего сотрудника Кенты Асахины (сейчас он работает в Институте Солка) выяснилось, что один из открытых нами нейронов производит и выбрасывает нейропептид. Нейропептиды — особый тип сигнальных веществ, это короткие белковые цепочки, похожие на некоторые гормоны. Известны десятки разных нейропептидов, этот был назван «дрозофильный тахикинин» (DTK). Функции нейропептидов легко изучать генетическими методами, поскольку каждый из них кодируется напрямую своим геном, в отличие от традиционных нейромедиаторов, которые синтезируются многими ферментами, для каждого из которых есть свой ген. Если мы вызывали мутацию в гене DTK, то это заметно снижало агрессию. А если мы заставляли клетки производить больше DTK, то агрессивное поведение, наоборот, усиливалось, когда мы активировали эти нейроны. Таким образом, эти эксперименты позволили нам напрямую связать гены, контролирующие агрессию, с активностью нейронов, контролирующих агрессию. И это важнейшая связь, позволяющая понять, как гены влияют на поведение.

DTK, так же как и большинство других мушиных нейропептидов, обнаружен и у млекопитающих. У мышей и людей есть несколько веществ, родственных DTK, образующих семейство тахикининов. Один из них (тахикинин-1) еще называют веществом P. Исследования в других лабораториях показали, что вещество P вовлечено в агрессивное поведение у крыс и кошек, а у мышей с мутацией в гене рецептора к веществу P агрессивность снижена. Наше открытие, что тахикинин контролирует агрессию у дрозофилы, позволило впервые выявить ген, который играет роль в регуляции агрессии у мух и грызунов — животных, разделенных 500 миллионами лет эволюции.

Погодите, это еще не все. Как я уже упоминал, известно, что длительная социальная изоляция усиливает агрессивность у многих видов, в том числе у мух, мышей и людей. Мы обнаружили, что уровень DTK в мозге у изолированных мух выше, чем у тех, кого выращивали в группе, и что мутация, выключающая ген DTK, притупляет агрессию при социальной изоляции. Это побудило нас исследовать гены тахикининов у мышей, и мы выявили значительное увеличение экспрессии гена тахикинина-2 (Tac-2) в мозге у социально изолированных мышей (подробнее см. главу 9). Более того, мы обнаружили, что препарат, блокирующий действие Tac-2 в мозге мыши, полностью устраняет повышение агрессивности, вызванное социальной изоляцией. То есть и у мух, и у мышей усиление агрессивности при социальной изоляции опосредуется нейропептидами тахикининами. И эти открытия позволяют предположить, что препараты, блокирующие действие тахикининов у человека, могут использоваться для уменьшения одного из главных последствий пандемии COVID-19 — стресса от социальной изоляции.

Эта история наглядно показывает, как всего лишь одна находка генетического скрининга может открыть целую область для исследований. К счастью, у нас не одна находка, а почти двадцать. Среди них — линии мух, которые проявляли разные формы агрессивного поведения при оптогенетической стимуляции нейронов. Одни демонстрировали только одно действие, например угрожали крыльями. При этом муха поднимала крылья (предположительно, чтобы казаться больше) и приближалась к своему противнику. Другие транслировали не только угрозу крыльями, но и полный репертуар агрессивных реакций, включая выпады, толчки и удары. В некоторых линиях агрессивно вели себя только самцы, а в некоторых — и самцы, и самки. Возможно, самый интересный результат заключается в том, что в некоторых линиях запускалось не только агрессивное поведение, но и ритуал ухаживания, когда самец отводит одно из своих крыльев и вибрирует им, издавая «песню», возвещающую самкам о его присутствии. Как ни странно, но когда мы активировали эти нейроны паре самцов такой линии, то они попеременно нападали друг на друга и исполняли друг другу песни. Это открытие выявило тесную связь между нейронными цепочками, контролирующими половое и агрессивное поведение, что при зрелом размышлении не кажется таким уж удивительным (как и многие другие люди, я интуитивно полагал, что секс и насилие должны быть как-то связаны в мозге). Удивительно, что лишь небольшая группа нейронов контролировала оба вида поведения.

Разные кусочки сложной головоломки посыпались на нас, словно из рога изобилия. Генетический подход в этом плане — уникальный в биологии, он дает вам компоненты системы, будь то гены или (как в данном случае) нейроны, которые дальше можно собирать воедино и разбираться в связях, чтобы в итоге понять, как функционирует вся система. В данном случае это послужило отправной точкой для расшифровки архитектуры всей схемы, регулирующей агрессию. И мы думаем, что при достаточном усердии и с помощью расшифрованного коннектома мозга мухи (подробной схемы всех связей между всеми идентифицированными нейронами, полученной с помощью электронного микроскопа) мы сможем в итоге достичь этого результата. Однако остается очень важный вопрос: когда мы поймем схему, контролирующую поведение мух при нападении, приблизит ли это нас к пониманию схемы, контролирующей агрессивное состояние? И самое главное: есть ли у мух какое-то внутреннее состояние, побуждающее их к борьбе, или они просто ведут себя как роботы с рефлексами? В главе 5 мы это выясним.