Нейробилогические и молекулярные механизмы поведенческой адаптации и предаптации к меняющимся условиям среды

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-14-00147

НазваниеНейробилогические и молекулярные механизмы поведенческой адаптации и предаптации к меняющимся условиям среды

Руководитель Дьяконова Варвара Евгеньевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН , г Москва

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-105 - Эволюционная биология

Ключевые слова адаптивное поведение, нейромодуляция, локомоция, репродуктивное поведение, ориентация в новой среде, фонотаксис, эволюция, нейрон, повреждения ДНК, транскриптом, эпигенетическое наследование, дофамин, серотонин

Код ГРНТИ34.15.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Роль поведения в эволюционных процессах обсуждается многими эволюционными биологами. Предполагается, что изменения в нервной системе, связанные со сменой поведения, могут стать пусковыми для возникновения новых эволюционных трендов. Однако конкретные нейробиологические механизмы, которые бы могли обеспечить такое влияние нервной системы на репродуктивные функции и характеристики потомков, остаются практически неизвестными. Активная стратегия реагирования на события, связанные с изменением климата, а именно усиленная локомоция, направленная на поиск утраченных привычных условий обитания, встречается у многих видов. Научная новизна нашего проекта определяется проверкой оригинального предположения, в соответствии с которым видоспецифичная интенсивная локомоция (ИЛ) может запускать целый спектр адаптационных и преадаптационных изменений организма. Они затрагивают когнитивные и репродуктивные функции, проявляются в характеристиках потомков. Действительно, известно, что ИЛ активирует функции нервной системы у позвоночных и некоторых беспозвоночных, что можно рассматривать как полезную преадаптацию и к меняющимся условиям, и к возможному попаданию в новую среду. Механизмы этой активации исследовались только на лабораторных грызунах, и все еще мало изучены в других таксонах. Могут ли они оказать значимое влияние на микроэволюционные процессы? Для ответа на этот вопрос нужны новые модели, на которых явление можно исследовать на полном жизненном цикле и нескольких поколениях потомков на относительно короткой временной шкале. Мы рассчитываем описать некоторые нейробиологические и молекулярные механизмы, лежащие в основе влияния ИЛ на поведение в других крупных таксонах, выявить возможные консервативные механизмы и создать более удобные модели для изучения этого влияния. Для последующих микроэволюционных и адаптационных процессов важны изменения в репродуктивном поведении и характеристиках потомков под влиянием ИЛ. Эти изменения остаются мало изученными; на выяснение их закономерностей направлен наш проект. Последние данные показывают, что за активацию мозговых функций есть плата - увеличение повреждений нейрональной ДНК. Какую роль это явление может играть в условиях адаптации к изменениям среды? В работе впервые будет рассмотрен вопрос о возможной плате за поведенческую пластичность в меняющихся условиях на уровне повреждений нейрональной ДНК. Ранее нами были разработаны лабораторные экспериментальные модели для изучения эффектов интенсивной локомоции, вызванной имитацией изменений климата. Предполагается, что исследование будет проводится на представителях трех крупных таксонов (брюхоногие моллюски, насекомые, млекопитающие). Мы исследуем влияние однократного и хронического (повторяющегося) опыта усиленной локомоции на последующее репродуктивное и ориентировочное поведение в новой среде, а также возможные механизмы этого влияния на уровне биофизических характеристик нейронов, полнотранскриптомной экспрессии генов ЦНС и содержания моноаминов. Будет проверено влияние однократного и хронического (повторяющегося) опыта родителей на фенотипическое разнообразие, репродуктивное и ориентировочное поведение, экспрессию генов в ЦНС и выживаемость потомков первого поколения. Для поиска возможных механизмов эпигенетической передачи измененного состояния потомкам мы создадим библиотеки материнских микроРНК в зиготах потомков животных с опытом ИЛ. Планируется количественно оценить повреждения ДНК в релевантных отделах ЦНС, вызванных ИЛ и ориентацией в новой среде. Сопоставление результатов, полученных на модельных объектах - представителях трех разных таксонов (моллюски, насекомые, млекопитающие) позволит оценить универсальность роли активной стратегии реагирования в адаптации к меняющейся среде.

Ожидаемые результаты
Будет сопоставлено влияние разового и хронического опыта ИЛ на ориентировочное поведение в новой среде, репродуктивную активность L. stagnalis, разнообразие и характеристики потомков. Будут созданы библиотеки материнской микроРНК в зиготах, полученных от моллюсков с хроническим опытом ИЛ, и осуществлен их дифференциальный анализ. Будет проверено предположение о проявлении адаптации к повторяющемуся опыту ИЛ на уровне биофизических характеристик релевантных нейронов, а также в изменении содержания моноаминов в ганглиях. Будет исследована роль серотонин-дофаминового баланса в эффектах ИЛ на клеточном и поведенческом уровнях. Будут охарактеризованы изменения в транскриптоме ЦНС при разных режимах ИЛ у L. stagnalis, описаны функциональные группы генов с наиболее выраженными изменениями экспрессии. Будет исследовано влияние ИЛ на характер интра- и интерсексуальных взаимодействий, репродуктивное и ориентировочное поведение у другого модельного объекта — сверчка Gryllus bimaculatus. Будет сопоставлено влияние разового и хронического опыта ИЛ на репродуктивную активность, разнообразие и характеристики потомков первого поколения. Будет оценено изменение содержания моноаминов в грудных ганглиях методом высоко-эффективной жидкостной хроматографии. Будет проверена применимость нескольких методов оценки двуцепочечных разрывов ДНК для нейронов беспозвоночных. Будет исследовано влияние хронического опыта ИЛ на повреждения ДНК в нейронах гиппокампа мышей при ориентировочном поведении в новой среде, проверено предположение об изменении стоимости когнитивной нагрузки в терминах повреждений ДНК у активных животных. Будут сопоставлены данные, полученные на представителях других таксонов (литература и результаты, полученные в ходе выполнения данного проекта). Будет сформулирована гипотеза о возможных консервативных механизмах влияния ИЛ, ее роли в адаптации и преадаптации к новым условиям. Полученные в ходе реализации проекта данные позволят ответить на ряд вопросов в рамках изучения роли поведения и изменений в нервной системе в адаптациях к изменениям климата и микроэволюционных процессах. Мы опишем влияние, которое оказывает реализация активной поведенческой стратегии на когнитивную пластичность и репродуктивную активность модельных животных, оценим проявление активной стратегии реагирования родителей в характеристиках потомков, и исследуем механизмы этого влияния. Выяснение связи между движением и накоплением повреждений в ДНК нейронов у позвоночных и беспозвоночных позволит точнее и глубже понимать механизмы бенефициарных эффектов ИЛ на когнитивные функции, оценить их роль в адаптации и преадаптации к климатическим изменениям. Кроме того, создание библиотеки микроРНК зигот модельного объекта, запланированное для решения задач проекта, будет полезным для многих других исследований на этом модельном виде. Разработка методов оценки повреждений ДНК гигантских идентифицированных нейронов беспозвоночных также будет полезной для ряда других исследований в этой области. Актуальность проекта определяется не только возможностью прояснить некоторые закономерности эволюционных механизмов в теоретической и исторической перспективе. Она определяется и формированием представлений о возможных последствиях наблюдаемых в текущий момент климатических и социальных изменений. Помимо фундаментальной значимости, наше исследование может представлять интерес для анализа возможных биологических последствий распространения в современном человеческом обществе приверженности активного (спортивного) образа жизни. О позитивном влиянии на работу нервной системы и на другие физиологические функции человека физической нагрузки свидетельствует множество исследований, однако вопрос об ожидаемых репродуктивных и трансгенерационных последствиях остается открытым. В нашей модели будет исследовано биологическое влияние хронической физической нагрузки на репродукцию и характеристики потомков на большом статистическом материале, в связи с чем полученные результаты окажутся актуальны для формирования возможных прогнозов в отношении биологии человека. Анксиолитические и благоприятствующие выполнению когнитивных функций эффекты интенсивной локомоции (ИЛ) были продемонстрированы не только у человека, но и у грызунов, рыб, насекомых и моллюсков, в том числе благодаря недавним работам нашего коллектива. Эти данные позволяют рассматривать интенсивную локомоцию как один из естественных способов повышения адаптивности поведения к возможным изменениям условий жизни. Возросший социальный интерес к сфере движения, отмечаемый в ряде стран, может отражать интуитивную попытку адаптировать работу нервной системы к быстрым изменениям в среде обитания и неопределенности. Вопрос о том, насколько сходны физиологические и молекулярные механизмы поведенческих эффектов ИЛ у разных видов, остается открытым. Между тем, выявление общих между человеком и доступными лабораторными моделями физиологических, биохимических и генетических механизмов потенциально способно облегчить разработку новых методов терапии и повышения качества жизни человека. Наконец, остро актуальной является тема нестабильности ДНК в нейронах. Первые данные появились всего 10 лет назад, в настоящее время выявлена связь повреждений ДНК с нейродегенерацией и старением. Закономерности их появления все еще плохо изучены. Известно, что обучение, память, новизна, возбуждение сопровождается образованием двуцепочечных разрывов геномной ДНК в нейронах. Мы исследуем связь между активным движением и накоплением повреждений ДНК в нейронах, связанных с когнитивными функциями, проверяя возможное изменение стоимости когнитивных функций в терминах повреждений ДНК при разных режимах ИЛ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
---Показано влияние родительского опыта интенсивной локомоции на характеристики потомков первого поколения у модельного объекта Lymnaea stagnalis. Наиболее выраженные изменения выявлены в репродуктивном поведении. Потомки животных с однократным и хроническим опытом (2 недели) интенсивной локомоции демонстрировали противоположные изменения в репродуктивной активности при сравнении с референтной группой. ---Впервые получены библиотеки коротких РНК (включая микроРНК) в эмбрионах модельного объекта L. staganlis, выполнена аннотация микроРНК в новой геномной сборке Lymnaea stagnalis с использованием собственных библиотек, а также библиотек коротких РНК из общедоступных репозиториев; Проведен предварительный анализ микроРНК в библиотеках коротких РНК в эмбрионах моллюсков от родителей с опытом хронической локомоции и без. ---Идентифицированы гены, участвующие в транскрипционном ответе нервной системы L. stagnalis на однократную интенсивную локомоцию и последующий отдых. Этот транскрипционный ответ предполагает, что отдых после тренировки функционально значим для положительного эффекта упражнений. Отдых активирует гены, связанные с нейрональным развитием, которые могут способствовать обучению, памяти и адаптации к окружающей среде. Результаты опубликованы Q1. --- Выявлено сходство транскрипционного ответа на тренировку у грызунов и моллюсков на уровне крупных функциональных кластеров и отдельных генов. Предложен список аннотированных генов - кандидатов на роль эволюционно-консервативных участников транскрипционного ответа на ИЛ. У человека гомологичные гены играют ключевую роль в нормальном развитии и сложных неврологических функциях, а их мутации связаны с нарушениями поведения, обучения и развития нервной системы. Результаты опубликованы Q1. ---Показано, что интенсивная локомоция вызывает долгосрочные изменения в активности дофаминергического нейрона RPeD1, участвующего в генерации дыхательного ритма моллюска: гиперполяризацию, снижение базовой активности, усиление тормозного ответ на введение дофамина и, напротив, подавление ответ на серотонин. Усиление тормозного эффекта дофамина свидетельствует об изменении силы отрицательной обратной связи в дофаминовой системе после опыта наземной локомоции. Более гиперполяризованный мембранный потенциал и сниженная спайковая активность RPeD1 характерны для состояния генерация дыхательного ритма, как было показано ранее. Результаты опубликованы, русскоязычная статья в сборнике. ---Показано снижение ориентировочных поворотов перед принятием решения в новой среде под влиянием дофамина и его метаболического предшественника L-DOPA у моллюска L.stagnalis. Сходство этих изменений с однократным воздействием ИЛ на ориентировочное поведение позволяет предполагать дофамин-опосредованное участие респираторной системы в эффектах ИЛ. Результаты опубликованы, русскоязычная статья в сборнике. ---У представителя другой крупной таксономической группы первичноротых животных, модельного нейроэтологического объекта насекомого сверчка G. bimaculatus также выявлено стимулирующее влияние ИЛ (полета) на ориентировочное и половое поведение в новой среде и у самцов, и у самок. ---Показано, что поведенческая модуляция фонотаксиса полетом основана на моноаминергических механизмах и у самцов, и у самок сверчка. Предшественник серотонина имитировал действие полета, ранее было обнаружено повышение содержания серотонина в грудных ганглиях. Это дает основание утверждать, что усиление фонотаксиса связано с повышением активности серотонинергической системы после полета. Роль октопамина в регуляции фонотаксиса в ЦНС, по-видимому, является ингибирующей, поскольку низкая концентрация агониста октопамина не влияла, а более высокая существенно снижала фонотаксис. Результаты опубликованы Q1. ---По нашим предположениям, опыт интенсивной локомоции может уменьшать мутационную плату за ориентировочное поведение в новой среде, в частности уменьшать число двунитевых разрывов в ДНК нейронов. Однако методы выявления повреждений ДНК в нейронах беспозвоночных не апробированы. Проверено два метода выявления повреждений ДНК в полиплоидных нейронах моллюска. Иммуногистохимический (с одним видом антител) и tunel. Оба метода выявляют окрашивание в цитоплазме у некоторых нейронов, при этом ядерный сигнал получен только для клеток глии и одного нейрона после обработки КСl. Происхождение цитоплазматического сигнала предстоит выяснить. ---Разработана авторская методика, сочетающая в себе контролируемую моторную нагрузку и пониженное стрессорное воздействие, для изучения влияния интенсивной локомоции на повреждения ДНК в нейронах гиппокампа мышей.

Публикации

1. Межерицкий М.И., Воронцов Д.Д., Дьяконова В.Е. Phonotaxis in Male Field Crickets: The Role of Flight Experience, Serotonin and Octopamine Neurotransmission Insects, Mezheritskiy M.1, Vorontsov D.1, Dyakonova V.1. Phonotaxis in Male Field Crickets: The Role of Flight Experience, Serotonin and Octopamine Neurotransmission // Insects. 2025. V. 16. Art. no. 887. Published: 25 August 2025. DOI: 10.3390/insects16090887 (год публикации - 2025)
DOI: 10.3390/insects16090887

2. Розенберг Ю.М., Богуславский Д., Чистопольский И., Захаров И., Дьяконова В.. Rest Induces a Distinct Transcriptional Program in the Nervous System of the Exercised L. stagnalis International Journal of Molecular Sciences, V. 26. (14) (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26146970