Как сибирские ученые крыс приручили


Серые крысы - не просто вредители, а важные лабораторные животные
26 декабря 2019

В восточной традиции 2020 год считается годом крысы, ей отдана почетная обязанность открывать 12-летний календарный цикл. В европейской же культуре у этого зверя репутация неоднозначная: вредитель, переносчик заразы, вместе с тем — домашний любимец и лабораторное животное, которое помогает ученым проводить исследования. Одно из них — первый в мире эксперимент по целенаправленному одомашниванию серых крыс.

С крысой связано множество суеверий. Она — отрицательный персонаж литературных произведений (вспомним Крысиного короля из «Щелкунчика» или крыс из романов Альберта Камю «Чума» и Джорджа Оруэла «1984»). В «Приключениях Нильса» аист Эрменрих называет серых крыс «враг страшнее всего на свете». Само слово «крыса» используется как ругательство, связывается с отрицательными свойствами характера.

Для этого есть причины. Как известно, черных крыс в Европе обвиняли в эпидемии чумы. На рубеже XV—XVI веков их потеснили серые, завезенные на торговых кораблях, и они тоже завоевали дурную репутацию. Серые крысы, или пасюки, расселились по всем материкам, кроме Антарктиды, благодаря своей сообразительности, всеядности, способности выживать в тяжелых условиях и вырабатывать иммунитет против ядов. Будучи синантропами — животными, чей образ жизни связан с человеком, они ведут себя по отношению к нему отнюдь не любезно. Пасюки могут быть агрессивны, переносить возбудителей инфекций, причинять урон хозяйству — уничтожать запасы продовольствия, убивать цыплят и поросят, перегрызать провода.

В то же время серые крысы стали родоначальниками декоративных — одних из любимых домашних питомцев (сегодня у них есть свои заводчики, клубы и выставки), а также многих лабораторных линий, на которых изучают средства лечения, диагностики и механизмы развития болезней.

Сначала лисы, потом крысы

Приручать крыс стали в XIX веке, а в начале XX века сложились стандарты для отдельных декоративных пород. Первый в мире эксперимент по целенаправленному одомашниванию серых крыс стартовал в 1970-х в новосибирском Институте цитологии и генетики (теперь это федеральный исследовательский центр СО РАН) и продолжается до сих пор.

Выведение ручных серых крыс — повтор эксперимента по доместикации, то есть одомашниванию, который провел основатель института академик Дмитрий Константинович Беляев на лисах. После того, как опыт удался, встал вопрос, не является ли процесс доместикации характерным лишь для одного семейства животных, ведь лисы относятся к псовым, как и прирученные много веков назад собаки. Поэтому для следующего исследования были выбраны грызуны — представители не только другого вида, но и семейства млекопитающих.

Эксперимент начался в 1970 году под руководством заведующего лабораторией ФИЦ ИЦиГ СО РАН доктора биологических наук Павла Михайловича Бородина (в ту пору — стажера-исследователя под руководством Беляева). Всего в опыте участвовали 233 серые крысы, 117 самок и 116 самцов, выловленные биологами в разных местах Новосибирской области, а также выведенные от пойманных крыс уже в виварии. Они стали родоначальниками ручной и агрессивной популяций.

«Крыс делили на две группы, в зависимости от их отношения к человеку с помощью теста “на перчатку”, разработанного в лаборатории Беляева. Он проводится так: экспериментатор протягивает в клетку, где сидит крыса, руку в защитной перчатке. Реакция животного может быть положительной — зверек проявляет исследовательский интерес и подходит к руке, или отрицательной — крыса, обороняясь, нападает на перчатку. Оценка в тесте варьируется от -4, когда животное не дает продвинуть руку в клетку, до 4, когда оно сразу с любопытством подбегает к перчатке», — говорит младший научный сотрудник лаборатории эволюционной генетики ФИЦ ИЦиГ СО РАН Римма Валерьевна Кожемякина.

младший научный сотрудник лаборатории эволюционной генетики ФИЦ ИЦиГ СО РАН Римма Валерьевна Кожемякина Интересно, что среди потомства крыс, участвовавших в эксперименте, появились животные с необычной окраской (то же произошло и с доместицированными лисицами). «Еще на ранних этапах селекции у ручных крыс рождались крысята с белым телом и серой головой — носители капюшонного (hooded) окраса. У агрессивных крыс стали встречаться особи с черной шерстью. При этом животные характерной серой расцветки, которая называется “агути”,  преобладают и в той, и в другой линии, однако в среднем ручные крысы светлее агрессивных», — отмечает исследователь.

Такие разные

С помощью поведенческих тестов биологи изучали реакции крыс — исследовательскую активность,  проявление тревоги и страха. Выяснилось, что ручные особи гораздо чаще ведут себя как исследователи: осматривают новую территорию, больше времени находятся на открытых пространствах, встают на задние лапы, передвигают незнакомые предметы. Агрессивные крысы оказались более тревожны. В стрессовых ситуациях они замирают, ищут убежище, занимаются грумингом (приводят в порядок свою шерсть), мечутся из угла в угол, склонны к частой дефекации, сильнее вздрагивают в ответ на резкие звуки.

Кроме того, агрессивные крысы подвержены неофобии — боязни новых предметов, а ручные нет. «Однажды в институте произошла такая история: нам нужно было протестировать новый материал для кабелей связи, которые зарывают под землю, где их нередко повреждают грызуны. Мы поместили кабели в клетки животных. В итоге агрессивные крысы даже не подходили к кормушке с едой, так их напугали незнакомые предметы, а ручные не только спокойно ели корм, но и разгрызли на кусочки провода», — рассказывает Римма Кожемякина.

Ученых, кроме всего прочего, интересовало, отличаются ли ручные и агрессивные крысы по способности к обучению в неблагоприятных условиях. «На первых этапах одомашнивания отбор проводился по ослабленной реакции на стрессовые факторы, источником которых был человек. Поэтому мы предположили, что у одомашненных животных, более устойчивых к таким факторам, потенциал к обучению в стрессовой ситуации будет выше», — объясняет ученый.

Поведение крыс анализировали с помощью водного теста Морриса, где животное должно было находить скрытую под водой платформу и забираться на нее Поведение крыс анализировали с помощью водного теста Морриса, где животное должно было находить скрытую под водой платформу и забираться на нее. Крысу запускали в круглый бассейн диаметром 150 сантиметров, заполненный водой с добавлением молока (чтобы не было видно платформу). На стенах около бассейна биологи повесили картинки, которые могли подсказать зверю ориентацию в пространстве.

Сначала проводилось обучение: животное плавало в бассейне в течение семидесяти секунд, и если за это время не обнаруживало платформу, исследователь направлял его. Такие «тренировки» проходили четыре раза в день на протяжении недели. На восьмой день платформу убирали и проверяли, подплывет ли крыса к тому месту, где артефакт находился раньше. Ручные пасюки успешно отыскивали цель, начиная со второго дня эксперимента, агрессивные — с пятого дня. При этом первые более активно исследовали бассейн, подныривали и искали платформу под водой, использовали в поисках хвост, а забравшись на площадку, вставали на задние лапы. По словам Риммы Кожемякиной, нельзя сказать, что агрессивные крысы хуже обучаются, видимо, им просто мешает высокий уровень стресса.

При планировании каждого эксперимента биологи подают заявку в биоэтическую комиссию института, которая следит за тем, чтобы все научные  опыты проводили в соответствии с международными европейскими биоэтическими стандартами (86/609-EEC) и российскими этическими стандартами по содержанию и обращению с лабораторными животными. Например, если в тесте на агрессию одна крыса начнет атаковать другую и наносить раны, эксперимент прекращают, чтобы не доводить животное до гибели.   

Выдающиеся способности ручных крыс к обучению и адаптации проявились в тесте Порсолта на депрессивно-подобное поведение, который также называют тестом отчаяния. В этом эксперименте животное помещают в воду, в небольшой бак с высокими бортиками, и наблюдают, через какое время оно прекращает попытки выбраться. Обычно тест используют при испытании препаратов против депрессии, так как подобное бездействие в ответ на стресс считается сходным с депрессивным состоянием у человека. Доместицированные крысы, плавая в баке, научились использовать хвост, чтобы дольше оставаться на плаву и не тратить лишнюю энергию.

Длительный отбор не агрессивных по отношению к человеку крыс привел к тому, что у ручных самцов снизилась агрессия и по отношению к сородичам. Ученые наблюдали это в тесте «резидент — интрудер», когда в клетку к животному-резиденту подсаживали чужака-интрудера, а также в том случае, когда два самца встречались на незнакомой территории. Тесты проводили с ручными и агрессивными серыми крысами и крысами линии Вистар. В большинстве случаев у ручных крыс порог агрессии был выше, а ее степень — меньше.

Но, может быть, ручное поведение не является врожденным, а передается в процессе выкармливания крысят матерью? Чтобы проверить это, ученые прибегли к перекрестному воспитанию: детенышей доместицированной самки посадили в клетку к агрессивной, и наоборот. Условия, в которых выросло подменное потомство, не повлияли на то, как оно проявляло себя, повзрослев. Это позволило сделать вывод о генетически обусловленном различии между двумя линиями крыс.

Как у людей

Сейчас в институте живет девяносто восьмое поколение крыс.

«Средний популяционный балл в тесте “на перчатку” уже близок к максимальному: 3,5 у ручных и -3,5 у агрессивных. Мы также проверяли наиболее популярных сегодня белых лабораторных крыс линии Вистар. Максимальный балл, который они набрали, это 1. Наши крысы доброжелательнее», — говорит Римма Кожемякина.

Будущий биолог впервые увидела доместицированных крыс в ФИЦ ИЦиГ СО РАН во время исследования, которое она делала для школьной научно-практической конференции. Животные настолько заинтересовали девушку, что она стала работать с ними сразу после окончания школы и одновременно училась на биологическом факультете Томского государственного университета.

Серые ручные крысы могут стать интересными домашними питомцами. Чтобы они проявили свои способности, лучше не держать их в клетке, по крайней мере постоянно. Обычно крысы находят себе в помещении определенное место, где сооружают гнездо, они приходят на кухню и ждут, пока их покормят, общаются с хозяином. Биолог довольно часто по просьбе знакомых отдает им домой животных, которые больше не используются в экспериментах.  

Римма продолжает разведение ручной и агрессивной линий, проводит тест «на перчатку» для каждого нового животного и занимается исследованиями. Сегодня линии ручных и агрессивных крыс используются в различных научных работах прикладной направленности, в частности на них можно изучать механизмы тревожности и испытывать потенциальные противотревожные препараты.

«Конечно, нельзя проводить параллель между высшей нервной деятельностью человека и крысы, однако проявления тревожности у людей могут быть похожи на реакцию животных в поведенческих тестах: снижение когнитивных функций, избегание открытых пространств, смещенная активность наподобие груминга (например, накручивание волос на палец). На физиологическом уровне механизмы развития тревожности у людей и крыс также похожи: они регулируются гипоталамо-гипофизарной системой, которая выполняет функции и нервной, и эндокринной систем. Тревожное состояние сопровождается выбросом глюкокортикоидов — так называемых гормонов стресса, а затем постепенным их снижением», — поясняет Римма Кожемякина.

Недавно в ФИЦ ИЦиГ СО РАН изучили, как на состояние животных влияет гормон привязанности окситоцин. Существуют исследования о том, что окситоцин, который вырабатывается у человека, когда он находится рядом с близкими, снижает тревожность. Оказалось, что агрессивные крысы под его влиянием успокаиваются, а ручные проявляют больше агрессии. Эти результаты совпали с результатами экспериментов, которые проводились среди людей, и могут быть полезны в дальнейших исследованиях связи окситоцина и тревожности.

Сейчас в лаборатории исследуют нейрогенез, то есть образование клеток центральной нервной системы — нейронов. Раньше считалось, что процесс нейрогенеза происходит, пока эмбрион находится в материнской утробе. Однако в конце прошлого — начале нашего века появились работы, свидетельствующие о том, что новые нервные клетки могут появляться в течение всей жизни организма (в 1990-е годы вышла статья в Nature Medicine, в которой доказывалось формирование нейронов в гиппокампе человека).

Механизмы «взрослого» нейрогенеза пока недостаточно изучены, хотя ученые предполагают, что на него влияет множество разных факторов. «Мы пытаемся изменить уровень нейрогенеза в раннем возрасте с помощью специальной диеты с высокой концентрацией витамина А. Так как наши линии крыс отличаются друг от друга по когнитивным способностям, уровню агрессии и реакции на стресс, они являются интересной моделью для подобных работ», — рассказывает Римма Кожемякина.

Для проведения эксперимента беременных самок разделили на три группы: одна питалась кормом с обычным количеством витамина А, две другие — с увеличенной и уменьшенной его дозой. Такие группы сформировали как из ручных, так и из агрессивных крыс. Затем потомство от каждой самки поделили еще на две группы, одна из которых до 42-го дня жизни получала стандартное питание, а другая — обогащенное витамином. Теперь ученые проведут серию тестов, чтобы проверить, повлияло ли изменение рациона на способности к обучению и социальное поведение крыс. Ученых интересует, как влияет формирование мозга животных в раннем возрасте на то, как они ведут себя, став взрослыми особями. Для того чтобы это выяснить, биологи планируют сравнить у разных групп молодых и взрослых крыс такие параметры, как объем структур мозга, плотность нейронов, уровень нейрогенеза в гиппокампе и его молекулярно-генетические механизмы.

«Получилось так, что фундаментальный эксперимент по одомашниванию серых крыс не только еще раз подтвердил теорию академика Беляева о том, что отбор по поведению является важнейшим фактором эволюции, но и приносит огромную пользу в прикладных исследованиях», — резюмирует Римма Кожемякина.

Работа «Эффекты формирования мозга в ювенильный период на поведение во взрослом состоянии: исследование на ручных и агрессивных крысах и лисицах» проводится в рамках гранта РНФ 19-74-10041.

Римма Кожемякина благодарна своей наставнице кандидату биологических наук Ирине Фёдоровне Плюсниной.

Александра Федосеева