Можно ли изучать тревожные расстройства, депрессию или аутизм — наблюдая за поведением крошечных аквариумных рыбок? Оказывается, да. Даннио рерио, или рыбки зебра, стали важной моделью в нейронауках: у них проявляются многие поведенческие и нейробиологические особенности, характерные и для человека. Как это возможно, зачем рыбам антидепрессанты, и как они помогают раскрыть тайны мозга — рассказал в программе «Знаете ли вы?» профессор нейронаук Алан Калуев.

Спонсором серии интервью о науке и технологиях является компания Team Telecom Armenia.

Все мы — на 70-80% рыбы

По словам Алана Калуева, на 70% наши гены совпадают с генами рыб. А если смотреть только на гены, связанные с заболеваниями, то степень сходства достигает 82%. «Фактически мы на 70–80% рыбы, — говорит он. — Да, у нас нет плавников, но молекулы, рецепторы, гормоны, транспортеры, ферменты — все это у нас очень похоже». Поэтому, считает Калуев, с вероятностью 85–90%, если тестируется новый препарат или ищутся биомаркеры заболевания, можно ожидать, что те же молекулы будут работать и у человека, и у рыб. А значит, и биомаркеры во многом совпадут.

Отвечая на вопрос, почему для исследований была выбрана именно эта рыба — Danio rerio — Калуев пояснил: какая-то модель все равно была бы выбрана, и выбор пал на наиболее удобный с научной точки зрения организм. У этих рыб легкое размножение, они неприхотливы, хорошо выживают, а главное — у них «очень легкая генетика»: их легко мутировать, создавать трансгенные линии. Это позволило ученым полностью расшифровать их геном.

Много лет ушло на эту работу у специалистов института Сангера в Великобритании — были потрачены огромные ресурсы, но в итоге Danio rerio вошли в «элитарный клуб» модельных организмов, к которым также относятся человек, плодовая мушка дрозофила, мыши, крысы и некоторые виды червей. Все эти организмы объединяет главное: их геном полностью идентифицирован. Это значит, что ученые знают каждый ген, могут точечно вносить изменения и создавать трансгенные модели — в зависимости от целей конкретного исследования.

От антидепрессантов до нефти: зачем нейробиологи изучают мозг рыб

Калуев подчеркивает: принципы работы человеческого мозга и мозга рыб во многом схожи. Он напоминает, что на 70–80% наши биологические мишени совпадают, а значит, те же молекулы, которые регулируют деятельность мозга человека, работают и у рыб.«Рыбы - древний организм. Мы эволюционно отстоем от рыб на 400 млн лет. То есть мы новое образование, рыбы умнее, древнее. Они живут гораздо дольше и до сих пор прекрасно справляются с условиями окружающей среды», - заявил он. 

Хотя у рыб нет коры головного мозга, исследователи все чаще убеждаются, что многие функции, такие как эмоции, память, пространственная ориентация, когнитивные реакции и даже социальное поведение, не требуют коры в том виде, как она устроена у человека. Рыбы проявляют эмоции, могут запоминать и демонстрируют формы социального взаимодействия, сравнимые с человеческими.

Калуеве уже много лет занимается изучением рыб как модельного организма. Одно из направлений — исследование заболеваний мозга. Например, команда изучает, какие биомаркеры активируются у рыб при эпилепсии, вызванной либо препаратами, либо генетическими мутациями. Те же самые биомаркеры, по словам ученого, могут быть актуальны и для диагностики эпилепсии у людей.

То же касается и депрессии. У рыб ее можно вызвать хроническим стрессом или определёнными веществами. «Я предвкушаю ваш вопрос, как выглядит депрессия у рыб — я обязательно расскажу», — с улыбкой добавляет профессор. Но главное — такие модели позволяют тестировать антидепрессанты, отслеживать, как изменяются молекулярные пути, и с высокой вероятностью — до 80–90% — делать выводы, релевантные и для человека.

Рыбы также используются как биомодель для скрининга новых препаратов. В лабораториях Калуева проводят тестирование психоактивных веществ, которые ранее нигде не применялись — ни в медицине, ни в биологических исследованиях. Некоторые из них могут оказаться перспективными лекарствами, другие — потенциально опасными. В работе исследователи используют искусственный интеллект для прогнозирования фармакологических свойств новых соединений.

Наконец, Danio rerio находят применение и в прикладной экологической науке — как биосенсоры. Одна из задач, над которой работает лаборатория, — исследование воздействия разливов нефти на нервную систему. По словам Калуева, последствия подобных катастроф затрагивают целые экосистемы и огромные территории. «Нефть — это мощный токсикант. Мы знаем, что она вредна, но о том, как именно она влияет на мозг, пока знаем недостаточно», — поясняет он.

Рыбы, оказавшиеся в загрязненной среде — в воде, содержащей растворенные нефтепродукты или покрытой нефтяной пленкой, — подвергаются хроническому воздействию этих веществ. По наблюдениям ученых, их состояние позволяет смоделировать тот же эффект, который может испытывать человек, проживающий в прибрежных районах, пострадавших от разливов нефти.

Моделирование аутизма на рыбах: как стая помогает понять социальные расстройства

Рыбы — стайные животные: около 95% времени они проводят в составе группы, синхронно плавая и взаимодействуя друг с другом. Именно эта особенность делает их практически идеальной моделью для изучения расстройств аутистического спектра. По словам профессора Калуева, если под воздействием мутации или препарата стая распадается, а отдельные особи начинают плавать изолированно, вне какой-либо группы, это уже можно рассматривать как нарушение социального поведения — ключевой симптом аутизма. «Я даже не знаю, что можно предложить лучше, чем рыбы для моделирования аутизма», — отметил он.

В экспериментах подобные эффекты действительно наблюдались. Например, под действием галлюциногенов, таких как ЛСД, рыбы начинают игнорировать стаю и плавают вразнобой, каждая по своей траектории. Им хорошо в этом "внутреннем" мире, и необходимость в социальном взаимодействии, похоже, отпадает. Хотя этот пример сам по себе не может напрямую объяснить природу аутизма, он помогает понять, как определенные вещества нарушают социальное поведение — и, следовательно, может быть полезен для оценки потенциальных рисков.

Такие модели также применимы для тестирования экспериментальных препаратов. На сегодняшний день не существует лекарств, которые селективно воздействуют именно на аутизм. Однако если рыбы, демонстрирующие нарушение социального поведения под действием мутаций или веществ, внезапно начинают снова плавать в стае после введения нового препарата, это может свидетельствовать о его потенциальной эффективности. «Представьте, — говорит учёный, — какой-нибудь препарат, разработанный в чьей-то лаборатории, возвращает рыбке способность к социальному взаимодействию. Возможно, мы нашли нечто, способное бороться с аутизмом».

Сегодня известно около 700 генов, которые достоверно связаны с аутизмом у человека. Учёные уже провели эксперименты, в ходе которых один из таких генов был внедрен в геном рыбки. Результат оказался показательным: рыба начала вести себя обособленно, перестала держаться стаи. Это не буквально аутизм, но состояние, ему подобное, поддающееся изучению и фармакологическому воздействию.

«Я не говорю, что завтра у нас появится лекарство от аутизма, — добавляет Калуев, — но теоретически такая возможность существует. А в науке, как известно, сегодня кажется невозможным, а завтра становится реальностью».