Введение

Изучение поведения животных и механизмов его нервного управления.

Нейроэтология – это эволюционный и сравнительный подход к изучению поведения животных и механизмов его нервного управления. Это междисциплинарная наука, объединяющая нейробиологию (изучение нервной системы) и этологию (изучение поведения животных в естественных условиях). Ключевой особенностью нейроэтологии, отличающей её от других областей нейробиологии, является фокус на поведении, сформировавшемся в результате естественного отбора (например, поиск партнёров, навигация, локомоция и избегание хищников), а не на поведении, связанном с конкретным заболеванием или лабораторным экспериментом. Нейроэтологи стремятся выявить общие принципы работы нервной системы, изучая животных с выраженным или специализированным поведением. Они исследуют, как нервная система преобразует биологически значимые стимулы в естественное поведение. Например, многие летучие мыши обладают способностью к эхолокации, используемой для охоты и навигации. Слуховая система летучих мышей часто приводится в качестве примера того, как акустические свойства звуков могут быть преобразованы в сенсорную карту поведенчески значимых характеристик звуков.

История

Нейроэтология частично обязана своим существованием становлению этологии как уникальной дисциплины в зоологии. Хотя поведение животных изучалось со времен Аристотеля (384–342 до н.э.), лишь в начале XX века этология окончательно отделилась от естествознания (строго описательной области) и экологии. Основными катализаторами этого нового разграничения стали исследования и труды Конрада Лоренца и Нико Тинбергена. Конрад Лоренц родился в Австрии в 1903 году и широко известен своим вкладом в теорию фиксированных моделей действий (FAP): эндогенных, инстинктивных поведенческих реакций, включающих сложную последовательность движений, запускаемую (“вызываемую”) определенным типом стимула. Эта последовательность всегда завершается, даже если исходный стимул удален. Она также видоспецифична и выполняется почти всеми особями. Лоренц создал свою знаменитую «гидравлическую модель», чтобы проиллюстрировать эту концепцию, а также концепцию специфической энергии действия, или драйвов. Нико Тинберген родился в Нидерландах в 1907 году и тесно сотрудничал с Лоренцем в разработке теории FAP; их исследования были сосредоточены на реакции извлечения яиц у гнездящихся гусей. Тинберген провел обширные исследования механизмов высвобождения конкретных FAP и использовал поведение выклевывания птенцами чаек-хохотунов в качестве модельной системы. Это привело к концепции сверхнормального стимула. Тинберген также известен своими четырьмя вопросами, которые, по его мнению, этологи должны задавать о любом поведении животного; среди них – вопрос о механизме поведения на физиологическом, нейронном и молекулярном уровнях, и этот вопрос во многом можно считать краеугольным камнем нейроэтологии. Тинберген также подчеркнул необходимость сотрудничества этологов и нейрофизиологов в их исследованиях, единства, которое стало реальностью в области нейроэтологии. В отличие от бихевиоризма, который изучает реакции животных на неестественные стимулы в искусственных лабораторных условиях, этология стремилась классифицировать и анализировать естественное поведение животных в полевых условиях. Аналогично, нейроэтология задает вопросы о нейронных основах естественно возникающих поведенческих реакций и стремится максимально воспроизвести естественный контекст в лаборатории. Хотя развитие этологии как самостоятельной дисциплины было решающим для появления нейроэтологии, не менее важным было развитие более глубокого понимания нейронауки. Вкладчиками в это новое понимание были испанский нейроанатом Рамон-и-Кахаль (родившийся в 1852 году) и физиологи Чарльз Шеррингтон, Эдгар Адриан, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли. Чарльз Шеррингтон, родившийся в Великобритании в 1857 году, известен своими работами о нервном синапсе как месте передачи нервных импульсов и о рефлексах в спинном мозге. Его исследования также привели его к гипотезе о том, что каждая мышечная активация сочетается с ингибированием противодействующей мышцы. Он был удостоен Нобелевской премии за свою работу в 1932 году совместно с лордом Эдгаром Адрианом, который сделал первые физиологические записи нервной активности из отдельных нервных волокон. Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли (родившиеся в 1914 и 1917 годах соответственно в Великобритании) известны своими совместными усилиями по пониманию генерации потенциалов действия в гигантских аксонах кальмара. Эта пара также предположила существование ионных каналов для облегчения инициации потенциала действия и была удостоена Нобелевской премии в 1963 году за свои усилия. В результате этих новаторских исследований многие ученые стали стремиться связать физиологические аспекты нервной и сенсорной систем с конкретными поведенческими реакциями. Этими учеными – Карлом фон Фришем, Эрихом фон Хольстом и Теодором Буллоком – часто называют «отцами» нейроэтологии. Однако нейроэтология по-настоящему оформилась как самостоятельная область только в 1970-х и 1980-х годах, когда новые, сложные экспериментальные методы позволили исследователям, таким как Масаказу Кониси, Вальтер Хайлигенберг, Йорг Петер Эверт и другие, изучать нейронные цепи, лежащие в основе проверяемого поведения.

Применение технологии

Нейроэтология способна стимулировать технологический прогресс благодаря глубокому пониманию поведения животных. Модельные системы были обобщены, переходя от изучения простых и близкородственных видов к человеку. Например, карта нейронного кортикального пространства, обнаруженная у летучих мышей – непревзойденных специалистов по слуху и навигации, – прояснила концепцию вычислительной карты пространства. Кроме того, обнаружение карты пространства у сипухи привело к первому нейронному примеру модели Джеффриса. Это понимание применимо к изучению пространственной локализации у человека, млекопитающего, являющегося родственником летучей мыши. Сегодня знания, полученные из нейроэтологии, находят применение в новых технологиях. Например, Рэндалл Бир и его коллеги использовали алгоритмы, основанные на поведении насекомых при ходьбе, для создания роботов, предназначенных для передвижения по неровной поверхности (Beer et al.). Нейроэтология и технологии оказывают взаимное влияние. Нейроэтологи стремятся понять нейронные основы поведения в условиях естественной среды обитания животного, однако методы нейрофизиологического анализа проводятся в лаборатории и не могут быть реализованы в полевых условиях. Эта дихотомия между полевыми и лабораторными исследованиями представляет собой вызов для нейроэтологии. С точки зрения нейрофизиологии, эксперименты должны быть разработаны с учетом контрольных групп и объективной строгости, что контрастирует с этиологическим подходом, согласно которому эксперимент должен быть релевантен естественному состоянию животного, которое не контролируется и подвержено динамике окружающей среды. Ранним примером этого является разработка Вальтером Рудольфом Гессом метода точечной стимуляции мозга для изучения контроля мозгом кошки над вегетативными функциями и другими видами поведения. Несмотря на то, что это стало прорывом в технологических возможностях и методике, изначально многие нейроэтологи не использовали этот метод, поскольку он нарушал естественное состояние кошки и, следовательно, по их мнению, снижал значимость экспериментов для реальных ситуаций. Преодоление подобных интеллектуальных препятствий привело к «золотому веку» нейроэтологии, сфокусировав внимание на простых и устойчивых формах поведения и применяя современные нейробиологические методы для изучения всей цепочки сенсорных и нейронных механизмов, лежащих в основе этих форм поведения (Zupanc 2004). Новые технологии позволяют нейроэтологам прикреплять электроды даже к очень чувствительным частям тела животного, таким как мозг, во время его взаимодействия с окружающей средой. Основоположники нейроэтологии заложили это понимание и интегрировали в свои исследования технологии и творческий экспериментальный дизайн. С тех пор даже косвенные технологические достижения, такие как аккумуляторы и водонепроницаемые приборы, позволили нейроэтологам имитировать естественные условия в лаборатории, одновременно объективно изучая поведение. Кроме того, электроника, необходимая для усиления нейронных сигналов и их передачи на определенное расстояние, позволила нейробиологам регистрировать активность животных, выполняющих действия в естественных условиях. Развивающиеся технологии могут дополнять нейроэтологию, повышая реализуемость этого ценного подхода к изучению естественной нейрофизиологии. Еще одна сложность, и, возможно, часть очарования нейроэтологии, заключается в разработке экспериментов. Ценность нейроэтологических критериев свидетельствует о надежности этих исследований, поскольку они отражают поведение в средах, в которых оно эволюционировало. Нейроэтологи предвидят будущие достижения благодаря использованию новых технологий и методов, таких как вычислительная нейробиология, нейроэндокринология и молекулярная генетика, которые позволяют имитировать естественную среду.

Ответ на предотвращение заторы

В 1963 году Акира Ватанабе и Кимихиса Такеда обнаружили поведение, известное как реакция избегания интерференции, у рыбы-ножа Eigenmannia sp. В сотрудничестве с Т. Х. Буллоком и его коллегами это поведение было далее изучено. В конечном итоге, работа В. Хайлигенберга расширила исследование до полноценного нейроэтологического анализа, изучив цепочку нейронных связей, лежащих в основе этого поведения. Eigenmannia – слабоэлектрическая рыба, способная генерировать электрические разряды посредством электроцитов в хвосте. Кроме того, она обладает способностью к электролокации, анализируя возмущения в своем электрическом поле. Однако, когда частота тока соседней рыбы оказывается очень близкой (разница менее 20 Гц) к собственной частоте, рыба избегает интерференции сигналов посредством поведения, известного как реакция избегания интерференции. Если частота соседней рыбы выше частоты разрядов данной рыбы, она снижает свою частоту, и наоборот. Знак разницы частот определяется путем анализа "биения" входящей интерференции, которая представляет собой комбинацию паттернов разрядов обеих рыб. Нейроэтологи провели ряд экспериментов в естественных условиях обитания Eigenmannia, чтобы выяснить, как рыба определяет знак разницы частот. Они изменяли разряды рыбы, вводя ей кураре, что блокировало работу ее естественного электрического органа. Затем один электрод был помещен в рот рыбе, а другой – на кончик хвоста. Электрическое поле соседней рыбы также имитировалось с помощью другого набора электродов. Этот эксперимент позволил нейроэтологам манипулировать различными частотами разрядов и наблюдать за поведением рыбы. По результатам эксперимента они пришли к выводу, что в качестве ориентира используется частота электрического поля, а не внутренний показатель частоты. Этот эксперимент имеет большое значение, поскольку он не только раскрывает ключевой нейронный механизм, лежащий в основе данного поведения, но и демонстрирует важность изучения животных в их естественной среде обитания для нейроэтологов.

Анализ особенностей зрения жаб

Распознавание добычи и хищников у жабы впервые было детально изучено Йоргом Петером Эвертом (Ewert 1974; см. также 2004). Он начал с наблюдения за естественным поведением ловли добычи у обыкновенной жабы (Bufo bufo) и пришел к выводу, что животное следует последовательности, состоящей из выслеживания, бинокулярной фиксации, захвата, глотания и вытирания рта. Однако изначально действия жабы зависели от специфических характеристик сенсорного стимула: демонстрировал ли он конфигурацию, характерную для добычи («червь»), или конфигурацию, сигнализирующую о хищнике («анти-червь»). Было замечено, что конфигурация «червя», сигнализирующая о добыче, инициировалась движением вдоль длинной оси объекта, в то время как конфигурация «анти-червя», сигнализирующая о хищнике, вызывалась движением вдоль короткой оси (Zupanc 2004). Эверт и его коллеги использовали различные методы для изучения поведенческой реакции на хищника и добычу. Они проводили электрофизиологические эксперименты, в ходе которых в мозг жабы вводились электроды, а ей предъявлялись стимулы в виде «червя» или «анти-червя». Этот метод повторялся на разных уровнях зрительной системы, что также позволило идентифицировать детекторы признаков. Особое внимание уделялось открытию нейронов, селективных к добыче, в оптическом тектоме, аксоны которых можно было проследить к клеткам, генерирующим паттерн захвата в гипоглоссальном ядре. Паттерны активности нейронов тектома, селективных к добыче, в ответ на объекты, представляющие собой добычу, у свободно перемещающихся жаб «предсказывали» реакции захвата добычи, такие как захват. Другой подход, названный экспериментом стимуляции, был проведен на свободно перемещающихся жабах. Фокальные электрические стимулы подавались в различные области мозга, и наблюдалась реакция жабы. Стимуляция таламо-претектальной области вызывала у жабы избегающую реакцию, а стимуляция тектома в области, близкой к нейронам, селективным к добыче, приводила к поведению, направленному на ловлю добычи (Carew 2000). Кроме того, были проведены нейроанатомические эксперименты, в ходе которых претектально-тектальные связи таламуса жабы были повреждены, и был отмечен результирующий дефицит: селективные свойства, связанные с добычей, были отменены как в ответах нейронов, селективных к добыче, так и в поведении поимки добычи. Эти и другие эксперименты позволяют предположить, что селективность к добыче обусловлена влиянием претектально-тектальных путей. Эверт и его коллеги показали, что у жаб существуют пути, опосредующие ответ на стимул, которые преобразуют восприятие (зрительных сигнальных стимулов) в действие (адекватные поведенческие реакции). Кроме того, существуют модуляционные контуры, которые инициируют, изменяют или уточняют это опосредование (Ewert 2004). Что касается последнего, например, хвостовая вентральная полоса теленцефалона участвует в контуре, регулирующем опосредованную реакцию на стимул в форме направленного внимания. Однако вентральный медиальный паллий теленцефалона (primordium hippocampi) участвует в контурах, которые либо изменяют выбор добычи в результате ассоциативного обучения, либо определяют выбор добычи в результате неассоциативного обучения.

Учебники

Силлар, К. Т., Пиктон, Л. П., Гейтлер, В. Дж. (2016) Нейроэтология хищничества и избегания. John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк. Зупанк, Г. К. Х. (2004) Поведенческая нейробиология: интегративный подход. Oxford University Press, Нью-Йорк. Кэрроу, Т. Дж. (2000) Поведенческая нейробиология: клеточная организация естественного поведения. Sinauer, Сандерленд, Массачусетс. Симмонс, П., Янг, Д. (1999) Нервные клетки и поведение животных. Второе издание. Cambridge University Press, Нью-Йорк. Симмонс, П., Янг, Д. (2010) Нервные клетки и поведение животных. Третье издание. Cambridge University Press, Нью-Йорк. Камхи, Дж. (1984) Нейроэтология: нервные клетки и естественное поведение животных. Sinauer Associates, Сандерленд, Массачусетс. Гатри, Д. М. (1980) Нейроэтология: Введение. Wiley, Нью-Йорк. Эверт, Дж. П. (1980) Нейроэтология: Введение в нейрофизиологические основы поведения. Springer Verlag, Нью-Йорк. Эверт, Дж. П. (1976) Нейроэтология: Введение в нейрофизиологические основы поведения. HT 181. Springer Verlag Heidelberg, Берлин, Нью-Йорк. Кандель, Э. Р. (1976) Клеточная основа поведения: Введение в поведенческую нейробиологию. W. H. Freeman. Родер, К. Д. (1967) Нервные клетки и поведение насекомых. Harvard University Press, Кембридж, Массачусетс. Марлер, П., Гамильтон, У. Дж. (1966) Механизмы поведения животных. John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк.

Статьи

Гюнтер К. Х. Зупанц (2010), Нейроэтология, Scholarpedia, 5(10):5306.