Глава 7

Все для драки

Нейроны и нейронные цепочки, которые контролируют агрессию в мозге млекопитающих

Спровоцировав агрессию у мышей с помощью оптогенетики, мы совершили прорыв. Нам удалось выйти из тупика, в котором мы оказались из-за невозможности воспроизвести эксперименты Гесса на мышах — модельном организме, легко доступном для генетических методов. Нам открылся путь для поиска ответов на ряд важных вопросов. Какие именно нейроны запускают агрессию? Контролируют ли эти нейроны только агрессию или еще и другие формы поведения? Необходимы ли они для естественного агрессивного поведения и достаточны ли, чтобы вызвать нападение при искусственной стимуляции? Активны ли эти нейроны во время приступа агрессии? Возбуждаются ли они точно в момент нападения, или в их активности наблюдается другая закономерность? С какими нейронами в мозге они связаны и какие другие нейроны связаны с ними? Какие гены работают в этих нейронах и влияют ли эти гены на агрессию? И самое главное, имеют ли эти нейроны какое-то отношение к созданию внутреннего состояния агрессивности, чего-то наподобие гнева и ярости, или же они просто запускают нападение, как кнопка включения у робота?

Когда мы впервые смогли вызвать атаку с помощью оптогенетической стимуляции нейронов влВМГ (рис. 6.2), это было сродни известию об удачной посадке на Марс. Теперь нам следовало оглядеться вокруг и выяснить, где мы находимся, прежде чем двигаться дальше. Прежде всего надо было добиться более точного и последовательного попадания в связанные с агрессией нейроны во влВМГ. Вспомните, в нашем изначальном эксперименте только у одной мыши из девяти протестированных удалось спровоцировать атаку при оптогенетической стимуляции этой области, то есть эффективность составляла примерно 11﹪. Это обнадеживало, но не позволяло работать дальше.

Если, как мы предполагали, причина неудачи в 89﹪ случаев была связана с тем, что мы случайно активировали нейроны дмВМГ (верхняя часть грушевидной структуры) и запускали реакцию бегства или замирания вместо нападения, то нам надо было каким-то образом предотвратить распространение ChR2-вируса в эту часть и обеспечить его попадание только во влВМГ (нижняя часть грушевидной структуры). Легче сказать, чем сделать. Это было похоже на попытки наполнить водой небольшое ведро с помощью свисающего с крыши садового шланга, не пролив ни капли. Чтобы решить эту проблему (закрепить конец шланга внутри ведра), мы воспользовались тем, что в разных нейронах экспрессируются (включаются) разные гены (для дальнейших объяснений см. главу 4).

Хотя хорошо известно, что в мозге есть нервные клетки, или нейроны, которые отличаются от глиальных клеток, жировых, клеток крови или печени, гораздо реже упоминается, что существует множество разных типов нейронов. Несколько подобных примеров мы встречали, когда говорили про мозг мухи (см. рис. 4.1). Мозг млекопитающих устроен гораздо сложнее. Например, только в сетчатке имеется 40–50 разных типов нейронов (а может, и больше). Разные типы нейронов легко сравнить с разными компонентами интегрированной микросхемы — конденсаторами, резисторами, транзисторами и диодами, только типов нейронов гораздо больше. Уже сейчас понятно, что в мозге мыши можно найти несколько сотен, а возможно, и тысяч разных типов нейронов. Точное их число пока неизвестно. Зачем для работы мозга необходимо такое огромное их количество — тоже пока неясно. Однако, даже если мы не знаем причину подобного разнообразия, это не мешает использовать его для идентификации нейронов, выполняющих определенную функцию, например управляющих агрессией, и доступа к ним. В главах 4 и 5 мы увидели, что такое возможно для плодовых мушек. Но как бы нам сделать это у мыши?

Для начала надо было определить гены-маркеры, работающие у нейронов, активных во время агрессии, но не у соседних клеток, у которых может быть другая функция (например, у надоедливых нейронов страха, которые постоянно мешали нашим попыткам стимулировать нейроны агрессии). Чтобы это сделать, мы воспользовались атласом экспрессии генов в мозге мыши, созданным Алленовским институтом исследований мозга в Сиэтле (который был основан благодаря необычайной щедрости покойного Пола Аллена, филантропа и соучредителя Microsoft). С помощью этого общедоступного ресурса мы вместе с командой исследователей из Алленовского института, возглавляемой доктором Хункуй Цзэн, проверили группу из примерно 25 генов, которые, видимо, включаются во влВМГ (в основании грушевидной структуры, см. рис. 6.1В), но не в дмВМГ (верхняя часть), чтобы найти, какие из них работают в нейронах, активных во время нападения, а не когда мышь сидит спокойно в домашней клетке.

Из 25 генов, которые мы проверили, хорошим кандидатом оказался один — рецептор к гормону эстрогену. Эстроген часто называют женским половым гормоном, хотя он есть и у самцов тоже. Ген эстрогенового рецептора первого типа (Esr1), также известный как Erα, экспрессировался в большинстве нейронов влВМГ (см. белые точки на рис. 7.1Б), но не в клетках на вершине грушевидной структуры (дмВМГ), где находятся нейроны, отвечающие за испуг. В клетках, связанных со страхом, экспрессировался другой маркер — SF1 (см. светло-серые точки на рис. 7.1Б и главу 3). Что особенно важно, когда мы окрасили срезы мозга мыши, которая недавно атаковала другую мышь, и посмотрели, какие нейроны недавно были электрически активны, оказалось, что большинство активных нейронов экспрессировали Esr1 (мы обозначим их Esr1+).

Этот результат означал, что Esr1 можно использовать как маркер для выявления предполагаемых нейронов нападения во влВМГ, таким образом можно получить очень специфичный краситель и пометить им клетки, чтобы отличить их от окружающих нейронов при рассмотрении среза под микроскопом. Но как, используя эту информацию, можно управлять нейронами (включать и выключать их), чтобы напрямую проверить нашу гипотезу? Из нашего результата следовало, что у гена Esr1 может быть свой генетический «почтовый индекс», который содержит «адрес» для идентификации нейронов агрессии во влВМГ. Если бы нам удалось найти этот индекс, то теоретически мы смогли бы ограничить экспрессию светочувствительного ионного канала ChR2 только нейронами Esr1+ (см. рис. 7.1Г). В теории нейроны страха в соседней области дмВМГ не смогут «прочитать» этот индекс, даже если по ошибке в них попадет заблудившийся вирус. Это позволит нам избежать непреднамеренного запуска замирания, когда мы пытаемся активировать нейроны агрессии (которые заставляют животных драться) (см. рис. 7.1Б, В).

Все эти молекулярные и генетические хитрости были необходимы, потому что, по всей видимости, вдоль длинной оси грушевидного ВМГ расположено нейроанатомическое воплощение оси «бей — беги», и мы хотели активировать часть «бей», не затрагивая «беги».

Чтобы сделать это, необходимо было выполнить две взаимодополняющие генетические модификации. Во-первых, надо было изменить маленький геном вируса с ChR2 так, чтобы его гены были «выключены», то есть не экспрессировались. Для этого мы вставили генетический «стоп-сигнал» в ген ChR2. Во-вторых, надо было сделать особых ГМ-мышей, у которых будет экспрессироваться полученный из бактериофага ген, кодирующий фермент Cre-рекомбиназу. Функция этого фермента — разблокировать вирус ChR2, то есть убрать генетический «стоп-сигнал», но только в клетках, где экспрессируется ген Esr1. То есть мы использовали работу гена Esr1 для контроля экспрессии чужеродного гена Cre у ГМ-мышей. Концептуально это похоже на метод, применяемый для получения экспрессии опсинов в разных типах нейронов мух, который я описывал в главе 4, но здесь нам удалось обойтись без скрининга тысяч животных, что можно было сделать на мухах, но совершенно невыполнимо на мышах.

Использование такого обходного пути связано с наличием еще одной проблемы. В мозге млекопитающих генетический индекс, который определяет, где и когда будет работать данный ген, зачастую очень мал по сравнению с размером самого гена. Попытки найти такой крошечный участок равнозначны поиску иголки в стоге сена: это может занять годы. Поэтому вместо того, чтобы пытаться найти индекс для гена Esr1, мы просто вставили ген Cre в середину гена Esr1, где он попал бы под влияние расположенного рядом ДНК-индекса одновременно с Esr1. Можно сказать, что мы привели генетическую гору к Магомету.

Затем мы объединили два этих генетических приема и ввели заблокированный вирус ChR2 во влВМГ нашей специальной линии Esr1-Cre у ГМ-мышей. И хотя вирус мог заражать и нейроны Esr1+, и нейроны Esr1– (см. рис. 7.1Б), в последних ген ChR2 оставался заблокированным, поскольку только в нейронах Esr1+ был генетический ключ к нему. Более того, даже если наш вирус просачивался в верхнюю часть ВМГ, где расположены нейроны страха, то и в этих клетках вирус ChR2 оставался заблокированным, потому что в них не экспрессировались ни ген Esr1, ни ген Cre (см. рис. 7.1Г). И хотя по описанию этот прием с блокировкой и ключом может показаться довольно простым, на практике его разработка заняла у нас несколько лет, причем за это время было много неудачных попыток.

К счастью, нейроны Esr1+ во влВМГ (которые я далее для удобства буду называть «нейроны влВМГEsr1») оказались именно теми, что были нам нужны. Когда мы стимулировали их с помощью синего света, который поступал во влВМГ по оптоволокну (см. рис. 7.1В), мыши атаковали буквально все, что мы помещали перед ними: самцов, самок, игрушечных мышек или надутую резиновую перчатку (см. рис. 6.2). Более того, при достаточно сильной интенсивности света почти все мыши проявляли агрессию и никто не демонстрировал страх. Таким образом, результат оказался гораздо более стабильным и воспроизводимым, чем наши первоначальные, более грубые эксперименты с оптогенетической активацией агрессивного поведения (см. главу 6). Как мы и надеялись, использование генетического индекса для размещения каналов ChR2 только в нейронах Esr1+ в составе влВМГ позволило нам активировать нейроны агрессии без одновременной активации соседних нейронов страха.

Идентификация нейронов Esr1+ во влВМГ в качестве клеток, контролирующих агрессивное поведение, позволила создать плацдарм для исследования новой территории. Теперь мы могли вернуться к вопросам, о которых раньше только мечтали. Блокирует ли выключение этих нейронов проявление агрессии? Активируются ли эти нейроны во время нападения и если да, то когда? Контролируют ли они только агрессию или еще и другие формы поведения — и если да, то какие? Контролируют ли эти нейроны агрессию только у самцов или у самок тоже? В какую область мозга отправляются сигналы и из каких принимаются?

Первое, что мы хотели узнать про нейроны влВМГEsr1: необходима ли их активность для естественной реакции нападения. Это важно выяснить по двум причинам. Прежде всего, это положило бы конец давней критике, направленной еще на первоначальные эксперименты Гесса с электрической стимуляцией у кошек: предполагалось, что активация этих нейронов делает что-то ненормальное с мозгом и животное становится гиперагрессивным. Кроме того, если мы сможем тормозить эти клетки в точно заданный момент во время агрессивной стычки двух самцов, то узнаем, когда именно эти нейроны необходимы. Вполне возможно, например, что они нужны для обнаружения запаха потенциального соперника, а не для самого нападения как такового.

Чтобы разобраться с этим вопросом, мы использовали другой метод оптогенетики не для активации, а для торможения (выключения) нейронов влВМГEsr1. Теперь, вместо того чтобы встроить ChR2 в нейроны влВМГEsr1, мы внедрили в те же клетки другой опсин (галородопсин), выделенный из бактерий, который активируется желтым, а не синим светом и закачивает в нейроны ионы хлора (Cl–), что тормозит клетки. Нейроны возбуждаются только тогда, когда внутри накапливается больше положительного заряда, чем снаружи (см. рис. 6.1А), а попадание внутрь отрицательно заряженных ионов Cl– делает внутреннюю часть клетки более электроотрицательной по сравнению с внешней, что эффективно подавляет генерацию импульсов.

Итак, в решающем эксперименте надо было встроить галородопсин в нейроны влВМГEsr1 с помощью все той же технологии с блокировкой и ключом, которую мы использовали для активации опсина ChR2, посветить на нейроны желтым светом через оптоволокно и посмотреть, остановит ли это естественную мышиную драку. Это значит, что необходимо было протестировать наших мышей в таких условиях, где они подрались бы естественным образом. Для этого мы социально изолировали мышей на две недели (что делало их более агрессивными, см. главу 4), а затем подсадили в их домашнюю клетку «чужака» — самца меньшего размера и из другой, менее агрессивной линии, в некотором смысле генетического «хлюпика». В таких условиях хозяин обязательно нападет на чужака, чтобы выгнать его со своей территории.

Было отрадно увидеть, что, когда мы оптогенетически затормозили нейроны влВМГEsr1 у хозяина в самый разгар схватки, его агрессия резко прервалась: мышь внезапно прекратила нападать и отошла от чужака. Когда мы выключали свет, то есть прекращали тормозить нейроны, позволив им снова активироваться, нападение почти сразу возобновлялось. Это было потрясающе — наблюдать, как одним щелчком мы могли выключить агрессию, а затем включить ее снова. Этот результат подтвердил и дополнил работу нейробиолога из Стэнфордского университета Нирао Шаха, который когда-то был моим студентом. Шах показал, что избирательная абляция (уничтожение) таких нейронов с помощью генетически направленного токсина (клеточного яда) останавливает агрессию. Однако в его эксперименте нельзя было определить, необходимы ли эти нейроны для нападения как такового, или же они требуются, чтобы выявить возможного противника по запаху. Поскольку наш метод позволял выключать нейроны временно, а не навсегда (как происходит при их уничтожении), мы смогли напрямую показать необходимость этих клеток для поведенческой реакции нападения.

С помощью такого метода быстрого обратимого оптогенетического выключения мы показали, что эффект от торможения нейронов влВМГEsr1 обширнее, чем просто остановка драки. Если мы выключали эти нейроны, когда хозяин только начинал обнюхивать чужака (то есть до начала драки), мышь прекращала обнюхивание и отходила, как будто теряла интерес. Мы могли даже прекратить начальное движение в сторону чужака, когда его только поместили в домашнюю клетку к хозяину. Создавалось впечатление, что эти нейроны не просто контролируют поведенческие проявления атаки или укусы, а, видимо, влияют на мотивацию мышей обнюхивать чужака и нападать на него.

Это впечатление подтвердилось при слабой оптогенетической стимуляции нейронов Esr1+ с помощью синего света меньшей интенсивности. В таких условиях хозяин, вместо того чтобы нападать на соперника и кусать его, пытался сделать на него садку, независимо от того, кто был перед ним — самец или самка. Сначала мы подумали, что слабая стимуляция запускает половое, а не агрессивное поведение. Однако, прислушавшись к ультразвуковой вокализации, своего рода «пению» самцов, когда они спариваются с самкой, мы поняли, что садки, вызванные слабой стимуляцией нейронов Esr1+, связаны не с размножением, а с агрессией: так проявлялось установление доминирования. Как правило, доминирование с помощью садок проявляется у молодых и неопытных в драке мышей, по мере получения опыта самцы делают меньше садок и чаще нападают. Следовательно, такое доминирование представляет собой слабую или менее интенсивную форму агрессивного поведения у мышей. Очевидно, мы могли повышать уровень агрессивности у мышей — от совершения садок до нападения и укусов, просто увеличивая интенсивность свечения лазера. Это означает, что данные нейроны не просто включают реакцию нападения, но контролируют внутреннее состояние агрессивности, интенсивность которого мы могли искусственно увеличивать, что отражает такое элементарное свойство эмоций, как масштабируемость (см. главу 2).

Эти оптогенетические эксперименты показали нам, что могут делать нейроны Esr1+ во влВМГ, когда мы включаем или выключаем их, — повышать и понижать агрессивность у мышей. Однако оптогенетическая стимуляция — это в высшей степени искусственный способ активации нейронов: частота импульсации нейронов задается экспериментатором, и она может не совпадать с той частотой, с которой эти клетки работают во время естественного поведения животных. Более того, мы заставляем их разряжаться одновременно, чего в обычной ситуации может и не происходить. Действительно, некоторые скептики утверждали, что такое искусственное навязывание ритма способно препятствовать нормальной работе клеток. Так, если бы участники хора стали петь «Оду к радости» Бетховена, исполняя свои партии синхронно и с одинаковой громкостью, получилась бы полная какофония.

Чтобы разобраться с этой проблемой, нам надо было посмотреть, как работают эти нейроны во время естественных социальных взаимодействий самцов. Классическая запись электрической активности, выполненная в моей лаборатории Даю Линь, показала, что, действительно, нейроны в этой структуре возбуждаются во время обнюхивания другого самца и нападения на него. Однако мы не могли с помощью этого метода определить, были ли это нейроны Esr1+ или клетки другого типа. Более того, этот метод вообще оказался малоэффективен: у каждой мыши мы могли регистрировать лишь несколько нейронов, и у большинства мышей не получилось зарегистрировать нужного сигнала.

Чтобы обойти эти ограничения, мы перешли на другой метод регистрации нейронной активности — кальциевый имиджинг. В нем используется феномен, при котором электрическая активность нейрона сопровождается входом ионов кальция из внешней среды внутрь клетки через специальные ионные каналы. Это кратковременное увеличение концентрации кальция можно заметить по вспышке света, если генетически изменить нейроны так, чтобы в них экспрессировался модифицированный зеленый флуоресцентный белок (взятый из медузы), который светился бы более ярко, когда соединялся с ионом кальция. Таким образом, ионы, которые проходят в нейрон при его активации, способствуют испусканию фотонов флуоресцентным белком медузы, а кальций служит химическим посредником между электрической активностью нейронов и свечением.

Далее нужен был способ обнаружить эти фотоны, увидеть светящиеся нейроны и измерить яркость их свечения. Для этих целей мы использовали миниатюрный микроскоп (изобретенный оптическим физиком Марком Шнитцером из Стэнфордского университета), который крепится на голову мыши. У микроскопа есть длинная стеклянная игла, действующая как мини-телеобъектив, погруженный в мозг мыши прямо над ВМГ. Чтобы увидеть активность нейронов влВМГEsr1, мы использовали все тот же трюк с блокировкой и ключом для выборочного включения гена, кодирующего зеленый флуоресцентный датчик кальция только в нужных клетках. Вспышки флуоресцентного света от этого белка, которые возникали всякий раз, как нейрон возбуждался, улавливались с помощью крошечного чипа фотодетектора, встроенного в находящийся на голове мыши портативный микроскоп. Данные по прикрепленному кабелю передавались на компьютер, где записывалось видео со светящимися нейронами под большим увеличением. Затем эту видеозапись можно было проанализировать и оценить активность одновременно буквально сотен нейронов Esr1+ у мыши во время обнюхивания, совершения садки и нападения на другую мышь.

К нашему удовлетворению, мы увидели, что нейроны Esr1+ действительно активировались во время нападения одного самца мыши на другого. Однако мы обнаружили, что эти нейроны возбуждались не только во время атаки, они начинали работать в момент появления самца-чужака в клетке хозяина и их активность то снижалась, то повышалась во время социальных взаимодействий, пока чужака не убирали. И хотя наибольшая активность наблюдалась, когда мышь была в точке кульминации драки, вспышки активности происходили уже во время фазы первоначального обнюхивания и обследования.

Удивительно, но когда мы посмотрели на активность каждого отдельного нейрона, то оказалось, что относительно небольшое количество клеток активировалось лишь во время нападения. Напротив, большинство клеток были активны все время контакта, начиная с обнюхивания и заканчивая дракой. Более того, многие из них сохраняли свою активность даже после окончания нападения, как будто она отражала продолжительность внутреннего состояния. Было ли это нейронной основой гнева, который достигает своей кульминации во время атаки, но продолжает кипеть и после схватки? Или же это просто реакция на сохранившийся запах самца в клетке? В любом случае эти наблюдения свидетельствуют, что нейроны влВМГEsr1 не просто управляют агрессивным поведением, их функция шире: они, вероятно, контролируют социальные взаимоотношения между двумя самцами.

Не менее удивительно было и то, что, когда самец встречал самку мыши, у него наблюдалась совсем другая картина активации нейронов Esr1+. Прежде всего, это был другой набор нейронов. Тихонько сидевшие среди нейронов, активирующихся во время встречи с другим самцом, они внезапно пробуждались к жизни, когда самец мыши встречал самку, и ярко светились, когда он обнюхивал ее голову и аногенитальную область. При встрече с разными самками каждый раз активировался один и тот же набор нейронов, а при встрече с самцами был стабильно активен другой набор. Активация нейронов, реагирующих на самцов или самок, была настолько воспроизводима, что мы смогли научить искусственный интеллект различать пол подсаженной мыши в течение нескольких секунд после ее попадания в клетку только по нейронной активности в мозге мыши-хозяина.

Это было неожиданно, если учесть наши предыдущие результаты относительно активации и торможения этих клеток с помощью оптогенетики. В тех экспериментах мы увидели, что нейроны Esr1+ во влВМГ контролируют агрессивное поведение. Однако эксперименты с имиджингом показывают, что эти нейроны также кодируют и пол вторгнувшейся мыши — или, по крайней мере, мы, ученые, можем определить пол чужака по активности нейронов. Конечно, если мы, люди, можем определить пол мыши, глядя на активность нейронов через особый миниатюрный микроскоп, это еще не значит, что то же самое делает и мозг мыши. Это лишь предположение.

Тем не менее эти наблюдения заставили нас рассмотреть возможность того, что важная (если не единственная) задача нейронов влВМГEsr1 — обнаружить вторгнувшуюся мышь и определить ее пол. В таком случае, может быть, самец мыши становился агрессивным, когда мы стимулировали эти нейроны, потому что он «думал», будто чувствует запах чужого самца. А если он думает, что чует самца, то он запрограммирован нападать на любую мышь, находящуюся перед ним, даже если она самка. Однако это маловероятно, поскольку оптогенетическая стимуляция нейронов Esr1+ заставляла самцов атаковать не только самок, но и надутую латексную перчатку, которая никак физически не напоминала мышь. Это наблюдение позволило предположить, что активируемые запахом самца нейроны влВМГEsr1 могут кодировать внутреннее состояние агрессивности, которое заставляет нападать на любой встреченный объект (подробнее см. в главе 8).

А что с нейронами влВМГEsr1, избирательно реагирующими на самок? Мы обнаружили, что эти клетки были наиболее активны в начале встречи самца с самкой: по мере того как обнюхивание переходило в садку и интромиссию, активность клеток снижалась и совсем прекращалась в момент эякуляции. Это позволяет предположить, что нейроны Esr1+ в ВМГ, реагирующие на самок, помогают мозгу самца отличить самку от другого самца и приступить к процессу спаривания. Как только самец дошел до мышиного эквивалента «второй базы», активность этих нейронов больше не требуется и исчезает из ансамбля для копуляции, работающего в голове самца (а также в некоторых других частях его тела). С этой интерпретацией согласуются и эксперименты Нирао Шаха, где разрушение нейронов в ВМГ с определенным ДНК-индексом не только устраняло агрессивность у самцов, но также подавляло у них и половое поведение. Позже мы подтвердили эти результаты, используя обратимое торможение нейронов. Однако ни в одном из этих экспериментов не изучалась целенаправленно подпопуляция нейронов, реагирующих на самок. Поэтому не доказано, что именно эти нейроны необходимы для спаривания, хотя это было бы логично. Каким бы ни было объяснение, эти результаты показали, что нейроны, контролирующие секс, и нейроны, контролирующие насилие, тесно переплетены в одной и той же крошечной области мозга млекопитающих.

А как насчет агрессии у самок мышей? Она тоже контролируется нейронами Esr1+ во влВМГ? У мышей агрессия самок устроена намного сложнее, чем агрессия самцов. Самцы становятся агрессивными на всю жизнь после получения первого сексуального опыта. Неоплодотворенные самки же ведут себя по отношению к самцам не агрессивно, а, скорее, демонстрируют готовность к спариванию. Они становятся агрессивными только в период выкармливания потомства. После того как выкармливание закончилось, самки теряют свою агрессивность и снова демонстрируют готовность к спариванию. У них, как и у самцов, есть нейроны Esr1+ во влВМГ. Когда мы впервые обнаружили, что оптогенетическая стимуляция этих нейронов запускает агрессию у самцов, мы попробовали провести тот же эксперимент и на самках, но у нас получилось вызвать только обнюхивание, а не нападение. Однако мы не проводили этот эксперимент во время лактации у самок. Через несколько лет Даю Линь в Нью-Йоркском университете показала, что если стимулировать нейроны Esr1+ у кормящих самок, то это вызовет агрессию, а если у самки нет детенышей, то не вызовет (что совпадает с нашими результатами). Очевидно, лактация меняет состояние мозга, способствуя развитию агрессивности.

Когда кормящие самки становятся агрессивными, они перестают демонстрировать готовность к спариванию, которая была характерна для неоплодотворенных самок и обеспечивала им возможность забеременеть. Как управляется это поведение готовности и почему оно теряется у кормящих самок? Данные снова указывают на нейроны, экспрессирующие эстрогеновый рецептор во влВМГ. В классических исследованиях, проведенных нейробиологом Дональдом Пфаффом из Рокфеллеровского университета в 1970–1980-х годах, выяснилось, что нейроны влВМГEsr1 участвуют в лордозном поведении — позе готовности к спариванию, при которой самка поднимает аногенитальную область, облегчая садку самцу. В 2017 году Даю Линь показала, что нейроны Esr1+, контролирующие агрессию у самок, и клетки, контролирующие спаривание, расположены в анатомически разных частях влВМГ и, возможно, это разные подтипы нейронов Esr1+ (это предположение мы недавно проверили напрямую). У неоплодотворенных самок, вероятно, активны нейроны спаривания и неактивны нейроны борьбы, а у кормящих — наоборот.

Как именно происходят эти циклические изменения агрессивности в мозгу самок, неизвестно. Однако беременность, роды и лактация сопровождаются у млекопитающих изменением уровня различных гормонов, например пролактина. Возможно, эти гормоны изменяют характеристики нейронов Esr1+ во влВМГ или других нейронов в других частях мозга, что делает самок агрессивными для защиты детенышей. Однако какие именно гормоны задействованы, на какие нейроны и в каких отделах мозга они влияют, как меняются свойства нейронов и как эти изменения ведут к развитию материнской агрессивности — все это увлекательнейшие вопросы, на которые пока нет ответов.

В исследованиях, которые мы только что описали, показано, что и у самцов, и у самок есть разные наборы нейронов Esr1+ во влВМГ: один набор активен во время драки, а другой — во время спаривания. Как мы обсуждали в главе 5, нейроны P1 у плодовых мушек тоже контролируют и спаривание, и драку. И их не около 2000 клеток, как во влВМГ у мышей, а всего 12–15 с каждой стороны мозга. Более поздние исследования показали, что у самок мух также можно выделить особую подгруппу нейронов — нейроны pC1, которые контролируют готовность к спариванию и агрессию. Примечательно, что и у мух, и у мышей — животных, разделенных 500 миллионами лет эволюции, — мозг содержит небольшие популяции близкородственных и находящихся рядом нейронов, вовлеченных в агрессивное и половое поведение (а возможно, и в то и в другое). Почему так получилось — пока неясно. С одной стороны, агрессивное и половое поведение тесно связаны. У них есть общие черты: приближение к партнеру, обследование на близком расстоянии и даже, как у некоторых видов, покусывание. С другой стороны, они фундаментально различаются. Цель одного — продолжение жизни, а другого — ее уничтожение. Следовательно, мозгу крайне важно сделать эти две противоположные формы поведения взаимоисключающими процессами. Возможно, близкое анатомическое расположение нейронов, контролирующих агрессию, и нейронов, контролирующих спаривание, обусловливает такой двойной контроль и облегчает его.

Вспомним, что у самцов мух большинство нейронов, связанных с агрессией, были специфичны для мужского пола, у самок их не было (см. главу 4). У самок мух есть свои специфичные нейроны для контроля агрессии. Было непонятно, есть ли у млекопитающих подобные нейроны, специфичные для определенного пола. С помощью «молекулярной дактилоскопии» мы нашли среди клеток влВМГ у самцов и самок мышей редкие, специфичные для определенного пола подтипы нейронов Esr1+. Нейроны, характерные для самцов, наиболее сильно активируются во время агрессии. И наоборот, как мы показали в недавней работе, нейроны влВМГEsr1, характерные для самок, контролируют готовность к спариванию и активны во время полового процесса. И хотя из работы Нирао Шаха и его коллег из Стэнфордского университета было известно, что влВМГ и связанные с ним другие области различаются у самцов и самок и по количеству клеток, и по экспрессии в них генов, открытие в мозге млекопитающих типов нейронов, специфичных для разных полов, было неожиданным. Насколько различаются нейроны Esr1+, контролирующие агрессию, у самок и самцов — пока неизвестно. Но как бы то ни было, очевидно, эволюция пришла к сходным решениям для контроля секса и насилия у самцов и самок достаточно далеких видов.

Сейчас некоторые из вас, наверное, зададутся вопросом, почему нейроны, контролирующие агрессию у самцов, экспрессируют рецептор к эстрогену. Разве самцовая агрессия управляется не тестостероном? Разве эстроген не женский гормон, который контролирует половое размножение, материнство и другие важные типы поведения? На самом деле все устроено гораздо сложнее. Как показано в работах ряда лабораторий (в том числе и лаборатории Нирао Шаха), многие эффекты тестостерона, которые он оказывает на поведение самцов, связаны с превращением в мозге этого гормона в эстроген. К тому же агрессивность кастрированного самца можно восстановить, имплантировав ему в мозг источник синтетического эстрогена. Поэтому вполне логично, что нейроны агрессии у самцов снабжены рецептором к эстрогену. Действительно, в исследованиях было показано, что инактивация гена эстрогенового рецептора во влВМГ сильно снижает агрессивность самцов мыши. Эти данные известны научному сообществу уже много лет. И тем не менее в общественном сознании сохраняется миф, что агрессия самцов контролируется исключительно тестостероном (и следовательно, эстроген не играет в этом никакой роли).

Тот факт, что нейроны агрессии у мышей экспрессируют эстрогеновый рецептор и он важен для их работы, может иметь существенные последствия для человека. Фермент ароматаза превращает тестостерон в эстроген в мозге самцов. Известно, что ингибиторы ароматазы, блокирующие образование эстрогена из тестостерона, снижают агрессивность у многих видов животных. Такие препараты часто используются и у людей — как вспомогательные средства при химиотерапии рака груди у женщин. Удивительно, но никогда не проверялось, будут ли они подавлять агрессию у мужчин. Стоит выяснить, могут ли эти препараты (которые в целом безопасны и хорошо переносятся) использоваться для снижения раздражительности и агрессивности у людей.

Все эти рассуждения предполагают, что нейроны, экспрессирующие эстрогеновые рецепторы в ВМГ, контролируют агрессивность у людей так же, как и у мышей. Действительно ли это так? Далее мы выясним.

Подробно изучать конкретную, генетически идентифицированную популяцию нейронов в гипоталамусе мыши — это прекрасно, но, как всегда, хочется спросить: имеет ли это какое-то отношение к людям? Есть ли у людей нейроны влВМГEsr1 и если да, контролируют ли они агрессию у нашего вида? Мы пока не знаем ответа на оба этих вопроса, но есть несколько причин считать, что, скорее всего, это будут два положительных ответа. Прежде всего, гипоталамус — один из самых эволюционно древних отделов мозга. Гомологичные ему структуры найдены не только у других млекопитающих, таких как обезьяны, кошки или собаки, но и у птиц и рептилий. В популярных изданиях гипоталамус и связанные с ним структуры даже принято называть «рептильным мозгом» (хотя это некорректно). Однако есть ли у человека нейроны влВМГEsr1 и есть ли вообще структура, гомологичная ВМГ, пока неизвестно из-за удивительной скудности данных о строении гипоталамуса у людей.

Изучение человеческого гипоталамуса, однако, скоро начнет стремительно развиваться благодаря технологии секвенирования РНК одиночных клеток (scRNA-seq). Этот метод позволяет выявлять и различать разные типы нейронов по закономерностям экспрессии их генов. В отличие от томографических исследований, которые сложно применить к таким небольшим структурам, расположенным глубоко внутри мозга, как гипоталамус, эту технологию одинаково легко использовать практически для любых интересующих нас областей мозга. В настоящее время ведутся масштабные проекты, поддержанные учрежденной в 2014 году президентом Обамой инициативой BRAIN (Brain Research Advances through Innovations in Neurotechnology — исследования мозга с помощью инновационных нейротехнологий) и нацеленные на идентификацию и картирование всех типов нейронов в мозге мыши с помощью секвенирования РНК. Этот же метод можно использовать при изучении тканей мозга людей и обезьян. Проекты по созданию атласов типов клеток мозга у этих видов уже ведутся.

Благодаря таким исследованиям уже появляются данные о том, различаются ли типы нейронов у мыши, обезьяны и человека в разных структурах мозга. Современное изучение зрительной коры позволило выделить некоторые типы клеток, общие для этих видов, но есть и различающиеся. Поскольку в эволюции кора головного мозга менялась у приматов гораздо быстрее, чем у грызунов, у человека можно ожидать множество новых типов клеток в этой области. С другой стороны, множество общих для человека и других млекопитающих типов клеток может обнаружиться в эволюционно более древних структурах, таких как миндалевидное тело и гипоталамус. При этом важно помнить, что так называемый рептильный мозг не остановился в своей эволюции, а продолжал развиваться одновременно с теми структурами, с которыми был связан, в том числе с корой. Поэтому возможно, что и типы нейронов гипоталамуса у человека и у мыши будут так же отличаться друг от друга, как типы нейронов коры. Скоро узнаем.

Предположим, через пару лет мы поймем, что да, у человека в ВМГ есть те же типы нейронов Esr1+, что и у мыши. Следовательно, эти клетки контролируют агрессию у людей? Необязательно. Они могли в процессе эволюции нашего вида приобрести другие связи и другие функции. Единственный способ выяснить — простимулировать или затормозить эти клетки у людей. Однако проводить оптогенетическую стимуляцию нейронов влВМГEsr1 у людей только ради удовлетворения собственного любопытства, как мы делаем это с мышами, этически недопустимо. А наблюдать за очагами активности в человеческом гипоталамусе во время агрессии трудно, поскольку это слишком маленькая структура — и к тому же вызвать агрессивное поведение у человека, находящегося в узком томографе, слишком сложно.

Итак, есть ли другие доказательства того, что агрессивность у человека может управляться клетками, расположенными в глубине гипоталамуса? Да. В 1960-х годах у небольшого количества пациентов был описан необычайно высокий уровень агрессивности, а впоследствии у них обнаружили опухоль в вентральном гипоталамусе. (Это исследование породило предположение, что Чарльз Уитмен, снайпер из Техасской башни, убивший в 1966 году в городе Остин штата Техас шестнадцать человек и ранивший еще больше, имел опухоль в мозге.) Однако не у всех пациентов с опухолью в гипоталамусе повышается агрессивность. Тем не менее в 1970 году одна из лабораторий в Японии опубликовала отчет, согласно которому хирургическое разрушение заднего гипоталамуса (области, содержащей ВМГ и другие структуры) у некоторых пациентов психиатрической клиники вызвало заметное снижение агрессивности и раздражительности. Таким образом, есть отдельные свидетельства, что у людей, как и у мышей, вентромедиальный гипоталамус действительно участвует в управлении агрессией.

Хотя я потратил бо́льшую часть этой и предыдущей главы на рассказ о попытках выявить контролирующие агрессию нейроны в единственной области мозга, мне не хочется, чтобы у вас сложилось впечатление, что такое сложное поведение, как агрессия, может управляться только одной структурой или одной популяцией клеток в мозге. Агрессивное поведение контролируется целой сетью мозговых структур, в которой влВМГ — лишь один из элементов, хоть и важный (см. рис. 7.2А). Проведя анатомические исследования, мы показали, что от нейронов влВМГEsr1 расходятся проекции к более чем 30 разным областям мозга и примерно от такого же количества областей эти нейроны получают входы (см. рис. 7.2Б). Среди структур, связанных с ВМГ и, как теперь показано, участвующих в агрессии, — части миндалевидного тела, вентральное предсосцевидное ядро, латеральное ядро перегородки и околоводопроводное серое вещество. Таким образом, агрессивное поведение управляется в мозге с помощью распределенной системы (но не диффузной). Как все эти области взаимодействуют между собой и какую роль играют в управлении агрессией — невероятно сложные вопросы. Чтобы на них ответить, необходимо развивать новые технологии, позволяющие изучать активность во всех отделах мозга.

Открытие сети структур, контролирующих агрессию у мышей — вида млекопитающих, чей мозг по строению похож на наш, — стало важным достижением, которое привело к бурному развитию исследований в этой области. Но помогло ли оно нам понять что-то о том, как мозг контролирует внутреннее состояние гнева и ярости? Узнаем в главе 8.