Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 499, № 1, стр. 322-326

В современной литературе существует большое число экспериментальных данных о роли генотипа в формировании когнитивных способностей животных [1–3]. Однако почти всегда речь при этом идет о различиях в выполнении когнитивных тестов за счет модуляции функции конкретных генов, определяющих отдельные свойства нейронных сетей (напр., [4–6] и др.). Отметим также, что в большей части таких работ термин “когнитивное” поведение подразумевает широкий спектр пластических функций, опирающихся главным образом на разные формы ассоциативного обучения [7, 8]. В настоящей работе в развитие представлений Л.В. Крушинского под когнитивными способностями животных понимается их способность улавливать закономерности, связывающие предметы и явления окружающего мира и строить на этой основе свое дальнейшее поведение [9]. Для анализа нейробиологических основ подобных когнитивных способностей и оценки взаимосвязи признаков поведения, в которых такие способности проявляются, требуется создание адекватных генетических моделей, в частности, линий животных, которые различались бы по данным когнитивным способностям. В статье представлены принципиально новые данные по первым поколениям искусственного отбора на высокие и низкие показатели решения когнитивного теста, выявляющего такого рода когнитивную способность у лабораторных мышей. Данный селекционный эксперимент был основан на разной успешности выполнения мышами теста на поиск входа в укрытие (ПВУ), построенного на стремлении животного спрятаться в темноте от яркого света. Эта задача (в англоязычной литературе – puzzle-box test) представляет собой тест на когнитивную способность per se, поскольку ее решение – это решение элементарной логической задачи, не требующее предварительного научения. В представленных экспериментах тест состоял из 4 предъявлений задачи (проб теста) нарастающей сложности. Исходный вариант теста был впервые предложен как часть батареи тестов для оценки у мышей фактора g. Фактор g, или фактор общего интеллекта, был введен в экспериментальную психологию Ч. Спирменом, который показал, что результаты ряда тестов на познавательные способности человека коррелируют между собой. В настоящее время в экспериментах на животных фактор g рассматривают как интегральный показатель когнитивных способностей, вычисляемый на основе статистической обработки данных большой батареи тестов [10]. Логическая структура теста ПВУ основана на наличии у животного способности к улавливанию правила “неисчезаемости” в трактовке Ж. Пиаже [11]. Мышь, помещенная в ярко освещенную часть экспериментальной камеры (30 × 28 × 27.5 см), стремится спрятаться в ее темной части (14 × 28 × 27.5 см), куда ведет углубленный в пол узкий лаз. В первой пробе лаз в темную часть камеры открыт, и животное может туда перейти без препятствий. Во второй пробе лаз в темную часть камеры маскируют чистой стружкой, насыпая ее вровень с полом, а в 3-й и 4-й пробах (которые наиболее трудны для решения) лаз блокируют легкой пробкой из пластика и картона, которую мышь может отодвинуть или вынуть зубами из углубленного лаза [11]. На решение 1-й и 2-й проб животному дается 180 с, на решение 3-й и 4-й проб – 240 с. После перехода в темную часть камеры мышь оставляют в ней на 15–20 с, после чего отсаживают в отдельную клетку, и через 45–60 с предъявляют следующую пробу. Регистрировали латентный период (ЛП) перехода мыши в темный отсек (а также факт решения или не-решения данного этапа теста). В случаях с лазом, закрытым пробкой, регистрировали у животного наличие или отсутствие у животного движений “манипулирования” пробкой, т.е. попыток проникнуть в темноту – захват пробки зубами, ее приподнимание. В случае отсутствия решения этого этапа теста в течение 240 с наличие или отсутствие такого манипулирования было важным для оценки поведения признаком (см. ниже).

Критериями отбора для “плюс” сублинии было успешное решение теста в его наиболее “трудном” варианте, когда лаз был закрыт пробкой (см. ниже), а для “минус” сублинии – отсутствие такого решения. В качестве исходной популяции для отбора были использованы мыши 20-го поколения селекции линии ЭКС [11]. Линия мышей ЭКС была получена в ходе проводившегося селекционного эксперимента на высокую способность к решению теста на экстраполяцию направления движения стимула, исчезнувшего из поля зрения. В первых поколениях этого эксперимента в селектируемой линии ЭКС было отмечено превышение доли правильных решений теста на экстраполяцию над случайным 50% уровнем [11], которое в последующих поколениях (с F9–10) стало обнаруживаться нерегулярно. В настоящей работе описаны результаты теста ПВУ, полученные у нескольких групп животных – у мышей ЭКС F20, составивших пары для получения потомства F1 данного селекционного эксперимента (n = 20), у мышей F1–F3 (сублинии ‘плюс” и “минус”, n = 378), а также у мышей контрольной неселектированной популяции КоЭКС (n = 34) (которая служила группой сравнения в селекции на высокие показатели решения теста на экстраполяцию [11]).

Выполнение теста ПВУ в первых двух пробах (лаз открыт и лаз замаскирован стружкой) было практически одинаковым у мышей групп “плюс” и “минус” и достаточно быстрым – на рис. 2 приведены средние ЛП решения этих проб. Различия между “плюс” и “минус” группами мышей этих поколений четко обнаруживались в пробах, когда лаз был закрыт пробкой, т.е. в 3-м и 4-м его предъявлениях (рис. 1 и 2), что может быть ответом на отбор в этих поколениях. За исключением мышей “+” в F2, показатели решения теста в 4-й пробе (т.е. доля мышей, решивших тест) были выше, а средние величины ЛП – короче, чем в 3-й пробе, что свидетельствует об использовании животными памяти о предыдущем решении.

Рис. 1.

Доля (в %, ось ординат) успешных решений теста на поиск входа в укрытие мышами F20 линии ЭКС (родители F1) (1), F1–F3 новых сублиний (“plus” и “minus“ группы – 2–4), и мышами неселектированной контрольной популяции F23 (5) в предъявлениях теста, когда лаз в темное отделение камеры был закрыт пробкой. Серые столбики – 1-е предъявление теста с пробкой, черные – 2-е. *, **, *** – значимо отличается от такой же доли в “минус“ сублинии того же поколения при р < 0.05, 0.01 и 0.001, соответственно (метод ȹ оценки различий альтернативных долей по Фишеру). #, & – отличия долей мышей, решивших эти пробы теста, от показателей “+” групп F1–F3 (с разными уровнями значимости, детали не представлены). Цифры над столбиками – число тестированных мышей каждой группы.

Рис. 2.

Средние (± ошибка средней арифм.) ЛП перехода мышей в темноту при решении последовательных проб теста (на поиск входа в укрытие) у мышей разных групп (см. рис. 1). а – лаз открыт, б – лаз замаскирован стружкой, в и г – лаз закрыт пробкой. Серые столбики – мыши сублинии “плюс”, черные – мыши сублинии “минус”. 1–5 – как на рис. 1. *, **, *** – статистически значимо отличается от соответствующей величины в “минус” сублинии того же поколения при р < 0.05, 0.01 и 0.001 соответственно (однофакторный ANOVA c post hoc тестом по Фишеру).

Решение теста ПВУ мышами КоЭКС в 3-й и 4-й пробах теста, когда “лаз” в темное отделение камеры закрыт пробкой, было значительно менее успешным, чем у мышей трех селекционных поколений (в F2 и F3, в том числе и для сублинии “минус”).

Наблюдения за поведением мышей в случаях, когда лаз был замаскирован пробкой, а решения теста не произошло, показали, что в большинстве случаев животные стараются зацепить зубами или толкнуть пробку, т.е. обнаруживают “манипулирование” этим объектом, что наблюдалось и у мышей F20, и у животных селектированных сублиний. Это поведение можно рассматривать как свидетельство того, что мышь пытается пройти через лаз, но не может преодолеть препятствие. Мышей, которые не “манипулировали” пробкой, было очень мало – в F3 в сублинии “плюс” было одно такое животное из 83, в сублинии “минус” – два из 73. В то же время среди контрольных мышей КоЭКС (тестированных в те же сроки, что и мышей F3), “не манипулировавших” пробкой животных было 8 из 34. Различия в успешности решения “трудных” этапов теста ПВУ, наиболее четко выраженные в последнем из тестированных поколений, в F3, могут служить свидетельством позитивной роли отбора по этим контрастным признакам. Следует напомнить, что обе сублинии происходили из линии ЭКС, которая в течение 20 поколений формировалась из потомства животных, успешно решивших когнитивный тест на экстраполяцию направления движения [11]. Логическая структура теста на экстраполяцию предполагает, что для его успешного решения животное должно понимать, что исчезнувший из поля зрения объект (поилка с молоком) продолжает существовать, и его можно искать. Таким образом, мыши обеих новых сублиний обладали в определенной степени пониманием принципа неисчезаемости, что и проявилось в том, что подавляющее большинство мышей пытались проникнуть в лаз, толкая и приподнимая пробку (т.е. “манипулируя” ею). Селекция на успешное и не успешное решение теста ПВУ в его варианте с пробкой выявила, таким образом, различия не в когнитивных способностях, как таковых, а в способности добиться конкретного решения, т.е. в проявлении так называемых “исполнительных функций” (executive function) у этих животных [12, 13]. Успешность выполнения теста, т.е. проявление “исполнительных функций” у мышей разного генотипа была показана в одной из первых работ с использованием данного теста [13]. При выполнении теста ПВУ при открытом лазе, а также при лазе, замаскированном стружкой, различия в проявлении исполнительных функций обнаруживались не в успешности решения этих этапов, а видимо, в ЛП реализации решения (с более быстрой реализацией попадания в темноту у мышей “плюс” групп) (рис. 2а, 2б). Поведение мышей двух сублиний сравнивали также в тесте на гипонеофагию, в котором животному предлагали новую пищу (сыр) в новой (но не пугающей) обстановке. Показатели этого теста, оценивающие реакцию на новое (являющейся также компонентом когнитивных способностей животных), были более четко выражены у мышей “плюс” групп (данные не представлены). Следует отметить, что в литературе по анализу когнитивного поведения лабораторных грызунов (т.е. по их способности к решению элементарных логических задач) аналогов представленного исследования нет. В настоящее время основное внимание исследователей как в области нейрогенетики в целом, так и в части роли генотипа в экспрессии когнитивных признаков, занимает анализ модуляции экспрессии большого числа генов у генетически измененных животных, и подобный список работ насчитывает многие десятки исследований. Особенно много таких данных получено в исследованиях генеза заболеваний центральной нервной системы [14–16 и др.], а экспериментальный подход с использованием батареи когнитивных тестов в этих задачах достаточно популярен [10, 17, 18 и др.]. Однако селекционных экспериментов практически не проводится и, в целом, эта область нейробиологии, несмотря на большой прогресс в выявлении важных для когнитивных функций структур мозга, сигнальных путей и групп специфических нейронов, остается пока недостаточно исследованной.

Таким образом, в данном исследовании впервые продемонстрированы достоверные различия в решении элементарной логической задачи, т.е. различия в экспрессии “исполнительных функций” у мышей, которые прошли 3 поколения селекции на “успешность” и “не-успешность” решения теста на “неисчезаемость”.