Откуда взялась человеческая речь: как поющие мыши помогают понять эволюцию нашего мозга
В тропических лесах Центральной Америки обитает коста-риканская поющая мышь, также известная как мышь Олстона. Поведение этого грызуна сильно отличается от поведения обычных лабораторных мышей. Если лабораторные мыши издают тихие ультразвуковые писки, которые человек не способен услышать без специальной аппаратуры, то самцы поющей мыши производят громкие, сложные и ритмичные серии звуков. Их вокализация длится долго, а ее громкость примерно на сорок децибел превышает громкость звуков обычных мышей.
Самая примечательная черта этого вида — способность к поочередному вокальному обмену. Две поющие мыши могут издавать звуки строго по очереди, не перебивая друг друга. Такое поведение требует сложной координации и во многом напоминает структуру человеческого диалога.
Лабораторная мышь и поющая мышь имели общего предка, и их эволюционные пути разошлись около восемнадцати миллионов лет назад. По меркам эволюционной биологии это достаточно короткий срок. Наличие столь разных поведенческих паттернов у двух родственных видов ставит перед учеными вопрос: как именно изменяется мозг в процессе эволюции, чтобы обеспечить появление совершенно новых, сложных форм поведения?
Долгое время в науке существовало предположение, что для обретения новых навыков — например, способности к сложному пению или речи — мозгу необходимо сформировать новые анатомические структуры. Речь шла о появлении новых участков коры или о прокладывании совершенно новых путей между теми отделами мозга, которые ранее не взаимодействовали друг с другом. Группа нейробиологов из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор провела исследование, чтобы выяснить, так ли это на самом деле. Результаты их работы, опубликованные в научном журнале Nature, показывают, что природа использует гораздо более экономный механизм перестройки нервной системы.
Для того чтобы животное могло издавать сложные звуки, ему требуется идеальный контроль над мышцами морды, челюстей, гортани и системой дыхания. За эту координацию в мозге отвечает специфический участок — орофасциальная двигательная кора. Ученые сосредоточили свое внимание именно на ней. Им нужно было понять, чем связи клеток этой зоны у поющей мыши отличаются от связей у обычной мыши.
Исследователи выдвинули три гипотезы. Первая предполагала, что у поющей мыши появились новые нервные пути, связывающие двигательную кору с участками мозга, к которым у обычных мышей доступа нет. Вторая гипотеза заключалась в том, что связи остались прежними, но отростки нервных клеток стали толще и многочисленнее, обеспечивая передачу более сильного сигнала. Третья гипотеза предполагала, что общая архитектура мозга и толщина отростков остались неизменными, но изменилась статистика: увеличилась доля клеток, которые направляют свои сигналы в строго определенные зоны.
Чтобы проверить эти предположения, ученым потребовалось составить подробную карту связей в мозге с разрешением до отдельной нервной клетки. Традиционные методы исследований, при которых нейроны окрашиваются светящимися веществами, для этой задачи не подходили. При классическом окрашивании светится сразу весь пучок нервных отростков, и отследить путь каждой конкретной клетки в этом массиве невозможно.
Поэтому нейробиологи применили технологию генетического штрихкодирования клеток, которая называется MAPseq. Суть этого метода заключается в использовании искусственно измененного вируса. Вирус вводится в двигательную кору животного. Он проникает в нервные клетки и доставляет в каждую из них уникальную последовательность рибонуклеиновой кислоты (РНК). Каждая клетка получает свой собственный, неповторимый генетический номер. По мере того как клетка функционирует, молекулы этой РНК транспортируются по длинным отросткам (аксонам) в другие части мозга.
Спустя некоторое время ученые извлекают образцы тканей из различных отделов мозга и проводят секвенирование — расшифровку последовательностей РНК. Находя конкретные генетические номера в определенных отделах, исследователи точно узнают, откуда и куда протянулся отросток каждой конкретной клетки. В ходе эксперимента была проанализирована активность и структура связей более чем 76 тысяч индивидуальных нейронов у обоих видов мышей.
Результаты эксперимента полностью опровергли первые две гипотезы. Ученые не обнаружили в мозге поющей мыши никаких новых нервных путей. Базовый план строения связей оказался абсолютно идентичным плану строения мозга обычной мыши. Толщина и объем передающих отростков также не претерпели существенных изменений. Разница крылась исключительно в пропорциях.
Выяснилось, что у поющей мыши значительно выросла вероятность того, что клетка двигательной коры свяжется с двумя конкретными зонами мозга. Первой такой зоной оказалось околоводопроводное серое вещество. Этот отдел располагается в среднем мозге и у всех млекопитающих отвечает за саму способность издавать звуки. Если этот отдел повредить, животное становится полностью немым. У лабораторной мыши сигналы в эту зону отправляют только 12 процентов клеток двигательной коры. У поющей мыши эта доля увеличилась более чем в три раза и составила 40 процентов.
Второй зоной, получившей усиленное внимание, стала слуховая кора. Доля клеток, связывающих двигательный центр напрямую со слуховым, у поющей мыши выросла с 5 до 14 процентов. Но самое важное открытие касалось не просто количества этих связей, а их структуры.
В нервной системе большинство клеток имеют разветвленные отростки. Одна клетка двигательной коры может одновременно посылать сигналы в слуховую кору, в полосатое тело и в другие отделы. Однако данные секвенирования показали, что у поющей мыши рост числа связей со слуховой корой произошел за счет клеток, которые вообще не имеют ответвлений. Мозг животного сформировал прямые, выделенные линии связи от центра управления движениями к центру восприятия звука.
С точки зрения биологии наличие таких прямых связей абсолютно логично. Когда животное издает громкие и продолжительные звуки, ему необходимо контролировать собственный голос. Двигательная кора должна заранее информировать слуховую систему о том, что сейчас будет произведен громкий звук. Это позволяет слуховой коре снизить чувствительность, чтобы животное не повредило собственный слух, а во время пауз — наоборот, максимально обострить восприятие для того, чтобы услышать ответ сородича. Прямые связи без ответвлений обеспечивают максимально быструю и точную передачу этой информации без рассеивания сигнала на другие отделы мозга.
Данное исследование важно и для изучения эволюции человека. Человек разумный и шимпанзе разделились на эволюционном древе около шести миллионов лет назад. За это время предки человека обрели способность к сложной речи, что также потребовало колоссального расширения контроля коры головного мозга над мышцами гортани и дыханием.
Долгие годы антропологи и нейробиологи пытались найти в человеческом мозге уникальные, принципиально новые анатомические структуры, отвечающие за язык. Исследование коста-риканских поющих мышей доказывает, что для радикального изменения поведения в такие короткие эволюционные сроки природе не требуется создавать новые отделы мозга. Достаточно перераспределить уже существующие связи. Увеличение плотности контактов между предковыми двигательными и сенсорными центрами позволяет животному обрести принципиально новый уровень контроля над своим телом и коммуникацией. Этот количественный сдвиг в архитектуре нейронных сетей является универсальным биологическим механизмом, который делает возможным быстрое эволюционное развитие сложных форм поведения.
Источник:Nature
