У мадагаскарских земляных гекконов нейрогенез продолжается и после полового созревания

Чешские биологи обнаружили, что у мадагаскарских земляных гекконов Paroedura picta даже после полового созревания растет объем головного мозга и число нервных клеток в нем. Особенно это заметно в конечном мозге — самом переднем отделе органа, особенно хорошо развитом у высших позвоночных. Скорее всего, у этих ящериц «взрослый нейрогенез» служит не только для замещения погибших клеток мозга, но и для роста этого органа.

Рептилии растут очень долго относительно продолжительности их жизни. В отличие от птиц и большинства млекопитающих, они увеличиваются в размерах и после полового созревания. Раз тело становится больше, есть вероятность, что растут и органы в его составе, в том числе головной мозг. Теоретически это можно обеспечить такими путями: повысить число «основных» нервных клеток — нейронов, увеличить количество «вспомогательных» клеточных элементов нервной ткани — нейроглии, сделать крупнее уже имеющиеся клетки. Все три процесса могут идти параллельно — опять же, в теории.

О том, как дело обстоит на практике, известно немного. Есть, к примеру, сведения о том, как увеличивается головной мозг нильского крокодила (см. A. Ngwenya et al., 2017. Potential Adult Neurogenesis in the Telencephalon and Cerebellar Cortex of the Nile Crocodile Revealed with Doublecortin Immunohistochemistry) и стенной ящерицы Podarcis hispanica (см. F. Perez-Sanchez et al., 1989. Postnatal neurogenesis in the nucleus sphericus of the lizard, Podarcis hispanica). У обоих видов в некоторых частях мозга растет число нейронов после вылупления вплоть до полового созревания. По крайней мере крокодилы «применяют» все три возможных способа увеличить мозг: кроме числа нейронов растут и их линейные размеры, и количество клеток, не относящихся к нейронам (см. A. Ngwenya et al., 2016. Continued Growth of the Central Nervous System without Mandatory Addition of Neurons in the Nile Crocodile (Crocodylus niloticus)). Правда, появление новых нейронов у них существенно замедляется еще до полового созревания.

Меж тем понять, насколько интенсивно идет нейрогенез (образование новых нервных клеток) у взрослых рептилий, было бы интереснее всего. Подавляющее большинство работ на тему нейрогенеза у взрослых выполнено на млекопитающих, но у них этот процесс имеет массу ограничений (см. Нервные клетки не восстанавливаются?). Его наблюдали далеко не во всех частях головного мозга, интенсивность его низка у грызунов и почти не отличима от нуля у приматов (спор о том, появляются ли новые нейроны у взрослых людей, далек от завершения). У пресмыкающихся, напротив, дела со «взрослым нейрогенезом» обстоят явно лучше. Хорошо бы было выяснить на их примере, что дает появление новых нервных клеток животным, как они встраиваются в уже имеющиеся сети, какие факторы обеспечивают (или, быть может, «разрешают») образование нейронов во взрослом мозге, а какие его тормозят.

Авторы недавней статьи в журнале Biology Letters, биологи из Карлова университета в Праге, руководствовались еще одним соображением: если у рептилий после вылупления образуется много новых нейронов, то различия количества клеток в мозге, да и массы мозга в целом, у особей одного вида может быть заметнее, чем в случае млекопитающих, у которых нейрогенез идет не так интенсивно.

Свои догадки ученые решили проверить на примере мадагаскарских земляных гекконов (Paroedura picta). Это некрупная ящерица (обычно не длиннее 15 сантиметров), удобная для исследователей тем, что она быстро размножается и растет. Полового созревания геккон достигает уже в три-четыре месяца (хотя лучше подождать еще несколько месяцев и только после этого пускать особь в размножение), а за год одна самка может отложить до семи десятков яиц. Некоторые террариумисты даже содержат P. picta в качестве кормового вида: выращивают ящериц для змей, которые питаются рептилиями. Молодые особи мадагаскарского земляного геккона отличаются от половозрелых не только размером, но и окраской, что тоже удобно.

Биологи изучили ящериц из двух популяций: от частного заводчика (популяция A) и из вивария Карлова университета (популяция B). В исследовании использовали животных из трех возрастных групп: неполовозрелые (возраст 14 дней, 5 самцов и 9 самок из популяции B); половозрелые, но не достигшие максимальных размеров (возраст 6 месяцев, 5 самцов и 5 самок из популяции B); взрослые с размерами, близкими к максимальным (возраст 1–2 года, по 5 самцов и 5 самок из популяций A и B, всего 20 особей). Исследовать не родственных друг другу рептилий необходимо было, чтобы выявить возможное влияние наследственности на количество нейронов в мозге. Ну а изучение самок и самцов позволило бы обнаружить межполовые различия в количестве нервных клеток.

Из предыдущих исследований, проведенных на других видах, известно, что условия, в которых выросли ящерицы, оказывают существенное влияние на строение головного мозга взрослых особей. К примеру, в дикой природе самцы пятнистобоких игуан (Uta stansburiana) делятся на три морфотипа по цвету горла: оно бывает оранжевым, синим и желтым. Оранжевогорлые самцы проявляют агрессивное территориальное поведение, контролируя довольно крупные участки (площадью до 100 м²) и охраняя свои гаремы. Синегорлые самцы тоже ведут себя территориально, но их участки поскромнее. А вот желтогорлые самцы не контролируют территории, а при встрече с самцом другого морфотипа они имитируют поведение самки. Склонность к территориальности, как и окрас, у пятнистобоких игуан наследуется. Оказалось, что у территориальных самцов кора больших полушарий крупнее, чем у представителей того же вида, не проявляющих территориальности, но в лабораторных популяциях таких различий не наблюдается (см. L. D. LaDage et al., 2016. Environmental experiences influence cortical volume in territorial and nonterritorial side-blotched lizards, Uta stansburiana). Поэтому, чтобы уменьшить влияние обстановки на нейрогенез, в новой работе использовали мадагаскарских гекконов, большинство из которых были непосредственными потомками диких ящериц — первым поколением, выросшим в неволе.

Всем P. picta измеряли общую массу тела и массу головного мозга (для чего их, к сожалению, умерщвляли, вводя большую дозу анестетиков). Для части взрослых особей из популяции A выяснили, как распределяются новые нервные клетки по шести отдельным областям мозга (рис. 2): большим полушариям, обонятельным луковицам (они и большие полушария относятся к конечному мозгу), промежуточному мозгу, верхнему двухолмию среднего мозга (у рептилий его называют оптическим тектумом), мозжечку (часть заднего мозга) и продолговатому мозгу. Нейроны от нейроглии отличали по присутствию в ядрах молекул NeuN (он же Fox-3) — белка, который синтезируется в большинстве нейрональных клеток, но не в клетках других типов.

Число клеток определяли методом изотропного фракционирования (см. S. Herculano-Houzel, R. Lent, 2005. Isotropic fractionator: a simple, rapid method for the quantification of total cell and neuron numbers in the brain). В ходе него неоднородные по составу ткани головного мозга становятся «оптически равными» (изотропными) для прибора, способного считать клетки: контакты между клетками разрушаются, а от самих клеток остаются только ядра. Отличить ядра нейронов от ядер других клеток в обсуждаемой статье помогал NeuN.

Выяснилось, что взрослые гекконы из разных популяций могут отличаться по массе тела в 2,26 раз (от 10,54 до 23,8 граммов), по массе головного мозга — в 1,41 раза (этот орган у них весил от 73,6 до 103,6 миллиграммов), по числу нейронов в нем — в 1,94 раза (оно составило у разных особей от 2,9 до 5,6 миллионов), по числу клеток, не относящихся к нейронам — в 2,28 раз (от 2,8 до 6,3 миллионов). Масса мозга и число клеток в нем были в среднем выше у популяции B. Статистически значимых различий между популяциями не нашли только для одного показателя — плотности расположения нейронов в головном мозге. Массы и количества клеток различных типов у самок и самцов значимо не различались, хотя самцы P. picta обычно несколько крупнее самок.

Как ни странно, примерно такой же разброс показателей наблюдается у лабораторных мышей в пределах одной популяции. В небольшом исследовании на 19 особях одного возраста и пола было показано, что у этих грызунов масса тела может различаться в 1,91 раза, масса мозга — в 1,33 раза, число нейронов в этом органе — в 1,63 раза, количество не-нейронов — в 2,98 раза (см. S. Herculano-Houzel et al., 2015. When larger brains do not have more neurons: increased numbers of cells are compensated by decreased average cell size across mouse individuals). Выходит, что более интенсивный нейрогенез во взрослом возрасте сам по себе не означает, что параметры мозга у разных представителей конкретного вида будут сильнее отличаться, чем в случае редкого появления новых нервных клеток.

Но точно ли новые нервные клетки образуются в головном мозге мадагаскарских гекконов интенсивнее, чем у мышей? Однозначно да (рис. 3). В популяции B двухнедельные гекконы обладали более мелким мозгом, чем шестимесячные, а те — более мелким, чем годовалые. Число нейронов в мозге у особей из самой молодой группы оказалось существенно ниже, чем у более взрослых гекконов. После полового созревания нейрогенез в большинстве областей мозга замедляется. Оказалось, что у особей из самой старшей группы (возраст 1–2 года) по сравнению с шестимесячными ящерицами нейронов достоверно больше только в конечном мозге (и сам он крупнее), но не в мозжечке, продолговатом мозге или других частях органа. При этом значимых различий количества клеток, не относящихся к нейронам, в мозге представителей этих двух групп не нашли.

Получается, что у мадагаскарских земляных гекконов после появления на свет нейрогенез не прекращается, хотя в целом теряет в интенсивности. Заметный прирост количества нервных клеток сохраняется только в конечном мозге. У всех изученных млекопитающих число нейронов после рождения не растет, а только падает, и образование новых клеток в мозге не в состоянии покрыть потери от гибели старых. Несмотря на это, различия в массе головного мозга и количестве клеток разных типов у одновозрастных представителей различных популяций гекконов невелики — не больше, чем у зверей.

Кроме этих выводов, авторы предлагают еще ряд заключений: например, говорят, что для проведения подобных сравнений на других видах можно будет ограничиться одной возрастной группой половозрелых рептилий, и что большая часть «индивидуальности» в массе мозга и числе нейронов в нем обусловлена изменениями в конечном мозге, происходящими по мере взросления. Последнее утверждение проистекает из того, что двухнедельные ящерицы по числу нейронов и прочего отличаются друг от друга меньше, чем одно-двухгодовалые особи. Безусловно, это важная информация, но, думается, исследование было бы интереснее, если его расширить, посмотреть на данные не только с точки зрения различий между индивидами разных полов, возрастов и популяций, но и с точки зрения экологии, биологии развития и наук о поведении.

Первый вопрос, который приходит на ум: в каких конкретно областях конечного мозга появлялось больше всего новых нейронов у половозрелых особей и чем эти области управляют? Ответ на него с большой вероятностью открыл бы нам биологический смысл интенсивного нейрогенеза у взрослых мадагаскарских гекконов. Интересно также посмотреть на то, как способности к формированию новых нервных клеток соотносятся с возможностями регенерации у P. picta. Хотя нейрогенез не всегда имеет место при возвращении различных структур нервной системы к норме (см., например, D. M. Lang et al., 2002. Regeneration of retinal axons in the lizard Gallotia galloti is not linked to generation of new retinal ganglion cells), такое сопоставление дало бы общие представления о том, где стоит искать причину появления новых нейронов у взрослых P. picta. Было бы также интересно узнать, из каких клеток они возникают.

Вероятно, часть различий между популяциями удалось объяснить бы разницей в условиях их содержания или происхождении, но о последнем авторы, по сути, ничего не пишут, а касательно первого отмечают, что представителей популяции A прежний заводчик держал в больших контейнерах маленькими группами, в то время как ящерицы популяции B жили в более мелких «загонах» поодиночке. Но роль могут играть не только социальные взаимодействия и размер доступной территории, но и, к примеру, температура и длина светового дня. Это верно по крайней мере для стенной ящерицы, у которой интенсивность нейрогенеза зимой отличается той, что наблюдается летом (см. C. Ramirez et al., 1997. Photoperiod–temperature and neuroblast proliferation–migration in the adult lizard cortex). Нет оснований утверждать, что сходные закономерности не обнаружатся при исследовании мадагаскарских земляных гекконов.

Также возможно, что незначительные различия числа нейронов в мозге самцов и самок обусловлены тем, что у более крупных особей и клетки крупнее. Это уже было показано для эритроцитов, клеток печени и поперечнополосатых мышечных волокон P. picta (см. M. Czarnoleski et al., 2017. Not all cells are equal: effects of temperature and sex on the size of different cell types in the Madagascar ground gecko Paroedura picta).

В любом случае, нейрогенез у взрослых рептилий — обширная тема, любое исследование в ее рамках по-своему интересно, и надо думать, что в будущем ее изучение принесет нам немало самых удивительных открытий.

Источник: Kristina Kverková, Alexandra Polonyiová, Lukáš Kubička and Pavel Němec. Individual and age-related variation of cellular brain composition in a squamate reptile // Biology Letters. 2020. DOI: 10.1098/rsbl.2020.0280.

Светлана Ястребова

. .