Психогенетика Тема 4. Исследования психофизиологических функций

Психогенетика Тема 4. Исследования психофизиологических функций

Взаимодействие нервной и эндокринной систем в регуляции генетических процессов

Пути нейроэндокринной регуляции взаимосвязи генетических процессов на уровне целостного организма В 50 -60 г. г. в исследованиях М. Е. Лобашева и его последователей В. В. Пономаренко и Н. Г. Лопатиной сложились первые представления о взаимодействии нервной и эндокринной систем в регуляции генетических процессов. Был сделан вывод о том, что каждый генетический процесс протекает в организме не изолированно, а в тесной зависимости с другими, сопряженными с ним процессами. Было показано, что нейроэндокринной регуляции принадлежит ведущая роль в установлении взаимосвязи генетических процессов на уровне целостного организма.

Процесс нейроэндокринной регуляции ГИПОТАЛАМУС НЕЙРОГОРМОНЫ (РИЛИЗИНГ-ФАКТОРЫ) ЛИБЕРИНЫ (УСИЛИВАЮТ РАБОТУ ГИПОФИЗА) И СТАТИНЫ (ТОРМОЗЯТ) ГИПОФИЗ ТРОПНЫЕ ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА Деятельность желез внутренней секреции ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА ИЗМЕНЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ

• Гипотеза нейроэндокринной регуляции процесса реализации генетической информации предполагает существование на молекулярном уровне общих механизмов, обеспечивающих как регуляцию активности нервной системы, так и регуляторные воздействия на хромосомный аппарат. • Одна из существенных функций нервной системы – регулирование активности генетического аппарата по принципу обратной связи в соответствии с текущими нуждами организма, влиянием среды и индивидуальным опытом.

Исследования В. В. Пономаренко и Н. Г. Лопатиной в опытах на мышах • Было показано, что изменение генной активности (частоты митозов и хромосомных аберраций) в клетках роговицы глаза может возникать по условно-рефлекторному принципу, т. е. в ответ на сенсорный стимул (свет), ранее связанный с болевым раздражителем (электрическим током).

Исследования, выполненные Л. В. Крушинским и соавторами • В 60 г. г. 20 века было установлено, что появление ряда генетически детерминированных поведенческих актов зависит от уровня возбуждения ЦНС. Показана отчетливая положительная связь между общей возбудимостью животного, а также проявлением и степенью выраженности генетически обусловленных оборонительных рефлексов у собак. • Также были обнаружены прямые корреляции между уровнем РНК в нейронах и уровнем возбуждения ЦНС, т. е. сенсорная стимуляция, обучение и другие воздействия, повышающие возбудимость нервной системы, сопровождаются увеличением содержания РНК в нервной ткани.

Исследования Л. В. Витвицкой, 1991 г. • Было показано, что экспрессия генов у животных может изменяться в зависимости от степени информационного разнообразия окружающей среды: чем более обогащена среда, тем выше экспрессия генов.

Исследования Л. В. Витвицкой, 1991 г. • Связующим звеном между ЦНС и генной системой являются гормоны. Роль гормонов в регуляции генной активности выступает в исследованиях влияния эмоционального стресса на генетические процессы. Стресс – неспецифическая системная реакция, обусловливающая привлечение энергетических ресурсов для адаптации организма к новым условиям.

Что характеризует стресс: • Стресс возникает в ответ на угрозу целостности организма, в том числе и нематериализовавшуюся. • Стресс является защитно- адаптационной реакцией.

Что характеризует стресс: • Стресс характеризуется стадийностью: - начало стресса – фаза тревоги. Энергозатратная фаза, характеризуется напряжением всех функций, в том числе и психических. - вторая фаза – резистентность. Происходит мобилизация оставшихся энергетических ресурсов, усиление всех процессов, при этом сохраняется относительно высокий функциональный уровень. - третья фаза стресса – истощение. Подавление психических и висцеральных функций.

Природа стресса В основе стресса лежит принцип редукции физиологических и нейрохимических механизмов. При стрессе наблюдается значительное снижение сенсорных порогов (в том числе и болевых) и минимизации дисперсии вегетативных параметров.

Три базовые системы защиты при стрессе: • стресс-реализующая (САС – симпато- адреналовая система)- выходит на пик активности непосредственно вслед за стресс- сигналом , обеспечивая реализацию первой фазы стресса. Продолжительность ее невелика (минуты, часы), после чего наблюдается истощение нейрохимических механизмов САС. Этот нейроэндокринный комплекс обеспечивает активацию висцеральных систем.

Три базовые системы защиты при стрессе: • Норадреналин и адреналин (гормоны мозгового вещества надпочечников) обспечивают комплект реакций гиперэргического типа – увеличение катаболизма в тканях, усиление вентиляции легких, активизацию сердечной деятельности, перераспределение кровотёока в пользу скелетной мускулатуры, сердца и мозга. Задача – обеспечить борьбу или бегство.

Три базовые системы защиты при стрессе: • стресс-потенцирующая (ГГАС – гипоталамо- гипофизарно-адреналовая система)- нейроэндокринная ось, которая запускается адренергическим сигналом и обеспечивает устойчивость 2 фазы стресса, поддерживая сравнительно высокий уровень энергетики и работоспособность организма. Большинство компонентов этой системы –пептиды, обладающие медиаторной и гормональной активностью. Так, кортиколиберин активирует двигательную и поисковую активность, АКТГ (адренокортикотропный гормон) стимулирует кору надпочечников и стимулирует запоминание. Кортикостероиды ( в данной оси ) стимулируют катаболизм.

Три базовые системы защиты при стрессе: • стресс-лимитирующая (ЭОС – эндогенная опиоидная система и система ГАМК) проявляет свою активность с первых минут защитной реакции, ограничивая избыточные эффекты двух первых систем. После того, как они исчерпают свои возможности, ЭОС начинает доминировать, предопределяя течение завершающей стадии стресса. При этом наступает гипобиотическое состояние, которое позволяет экономить энергетические ресурсы. Комплект морфиноподобных пептидов (эндорфины, энкефалины, динорфины и др. ) с выраженным тормозным действием на большинство систем организма, реализующимся через опиатные рецепторы (в основном, пресинаптическое торможение)

Синдром Марфана • Избыток адреналина в организме у человека может привести к редкому заболеванию – синдрому Марфана. Данный синдром, помимо необычного внешнего вида (очень длинные и тонкие конечности, короткое тело при высоком росте) может обусловливать и высокий уровень развития умственной одаренности. Например, Авраам Линкольн, Г. Х. Андерсен. , К. И. Чуковский.

Исследования Д. К. Беляева • Д. К. Беляев показал, что у мыши под влиянием эмоционального иммобилизационного стресса существенно изменяется способность к воспроизведению потомства.

Исследования Д. К. Беляева • Мыши разных генетических линий по-разному реагировали на стресс: при сравнении показателей воспроизводства в обычных условиях и при стрессе изменялись ранги животных с разными генотипами в отношении функции воспроизводства, т. е. стресс изменяет внутрипопуляционную генетическую изменчивость и селективная ценность животных разных генотипов в нормальных условиях и при стрессе оказывается неодинаковой.

Исследования Д. К. Беляева • Эмоциональный стресс влияет на частоту рекомбинационного процесса, а также на индукцию доминантных аллелей. Показано влияние гормонов коры надпочечников (кортикостероидного комплекса) на экспрессивность и проявляемость (пенетрантность) некоторых конкретных генов у мышей. Имеются данные о влиянии гормонов (стероидов) на проявления генома в головном мозге.

Исследования Д. К. Беляева • По-мнению Д. К. Беляева эти данные свидетельствуют о наличии прямой и обратной связи между мозгом и генами. Ключевая роль в этом процессе принадлежит стрессу, играющему роль внутреннего механизма регуляции наследственной изменчивости и эволюционного процесса. Стресс изменяет активность генома.

• В генетических исследованиях используются эксперименты с очень удобным объектом – инфузорией- туфелькой. Используются вещества, которые включают и выключают гены, контролирующие натриевый и кальциевый обмен. Чтобы был пейсмекер , необходим кальций (в мембране должна работать кальциевая проводимость).

• При воздействии ацетилхолина включается пейсмекер , который работает 1 час (это означает, что нейрон «задумался» ). Подобные исследования напоминают охоту – исследователь ожидает, пока инфузория наестся и ляжет отдыхать, в этот момент он подкрадывается к отдыхающему животному с микроэлектродом и … дальше можно использовать биологически активные вещества в сверхмалых дозах, которые и контролируют кальциевую проводимость.

Выводы: 1. Стресс модифицирует и интегрирует деятельность четырех уровней: - генного; - эндокринного; - нервного; - психического. 2. Эмоциональный стресс, т. о. , является регулятором активности генов в индивидуальном развитии и в эволюции.

Литература: 1. Александров А. А. Психогенетика. С. -Пб. : Питер, 2004. 192 с. 2. Атраментова Л. А. , Филипцова О. В. Введение в психогенетику. М. : Флинта, 2004. 472 с. 3. Беляев Д. К. , Бородин П. М. Влияние стресса на наследственнность и изменчивость и его роль в эволюции // Эволюционная генетика. - Л. , 1982. - С. 35 - 59. 4. Беляев Д. К. Генетика, общество, личность// Фролов И. Т. (отв. ред. ) Человек в системе наук. - М. , 1989. - С. 155 -164. 5. Витвицкая Л. В. Сравнительный анализ функций генома в клетках мозга при формировании адаптивного поведения у животных разного уровня онто- и филогенеза. - Автореф. дисс. докт. биол. Н. , 1991. 6. Крушинский Л. В. Формирование поведения животных в норме и патологии. - М. , 1960.

Литература: 7. Лопатина Н. Г. , Пономаренко В. В. Исследование генетических основ высшей нервной деятельности // Физиология поведения. Нейробиологические закономерности. Руководство по физиологии / Под ред. А. С. Батуева, -Л. , 1987. - С. 9 -59. 8. Малых С. Б. , Егорова М. С. , Мешкова Т. А. Основы психогенетики. - уч. пособие. - М. : «Епидавр» , 1998, 742 с. 9. Мертвецов Н. П. Гормональная регуляция экспрессии генов. М. , 1986. 207 с. 10. Парин С. Б. , Полевая С. А. Особенности преобразования информации при стрессе и шоке // Нейроинформатика 2006. Восьмая всероссийская научно-техническая конференция. Сборник научных трудов. М. , 2006 С. 165 -171. 11. Эфроимсон В. П. Генетика гениальности. М. : Тайдекс Ко, 2004. 376 с.

Исследования КГР • Исследования кожно-гальванической реакции, как известно, начались в конце 19 века К. Фере и И. Р. Тархановым. • Известно, что КГР возникает как компонент ориентировочной реакции при изменениях во внешней среде и имеет большую амплитуду при большей неожиданности, значимости и интенсивности стимула. При повторном предъявлении стимула КГР снижается, что связано с привыканием. • Генетические исследования КГР начались в 60 -70 г. г. 20 -го века. С. Вандерберг и др. не выявили достоверных различий у монозиготных и дизиготных близнецов по амплитуде КГР на разные стимулы.

КГР в состоянии покоя • Все немногочисленные работы, посвященные анализу КГР в состоянии покоя, были прове- дены с использованием близнецового метода. • Первое генетическое исследование электри- ческой активности кожи было проведено в 1934 году К. Карменом. В этой работе было установлено, что внутрипарное сходство МЗ близнецов по частоте и амплитуде КГР выше, чем сходство ДЗ близнецов. • Высокое внутрипарное сходство МЗ по ампли- тудным и временным характеристикам КГР было обнаружено и в ряде других исследова- ний, что свидетельствует о влиянии наследст- венных факторов на индивидуальные различия по этой характеристике.

У. Хьюм, изучая наследуемость параметров КГР на звуки и холодовое воздействие, обнаружил умеренный вклад наследственных влияний в изменчивость амплитуды и скорости привыкания КГР на звук 95 д. Б, для тех же параметров КГР на холодовое воздействие влияний генотипа установить не удалось.

В целом ряде исследований было установлено: МЗ близнецы по сравнению с другими парами близких родственников имеют более высокое внутрипарное сходство по таким показателям КГР, как амплитуда, латентный период и скорость привыкания, что дало основание говорить о влиянии генотипических факторов на межиндивидуальную изменчивость и этих показателей, и реакции в целом. МЗ близнецы также более схожи, чем ДЗ, по показателям времени восстановления КГР после воздействия и скорости роста КГР до максимального значения.

Исследование Д. Ликкена, 1988 • В работе принимали участие 36 пар МЗ близнецов, выросших вместе, 43 пары ДЗ, 42 пары разлученных МЗ близнецов в возрасте 16 -56 лет. • Параметры КГР на громкие звуковые стимулы исследовались на большой выборке близнецов, часть которых с раннего детства воспитывалась в разных семьях. • Анализировались следующие показатели: максимальная амплитуда КГР, средняя амплитуда КГР в первых четырех пробах, показатели снижения амплитуды по мере привыкания и ряд других. • При этом учитывались не только абсолютные значения амплитуды КГР, но и относительные, которые определялись как частное от деления амплитуды каждой отдельно взятой реакции данного испытуемого к максимальному значению амплитуды, зафиксированной у него через 3 с после первого предъявления звукового сигнала интенсивностью 110 д. Б.

Исследование Д. Ликкена • Было обнаружено, что дисперсия параметров КГР в значительной степени обусловлена генотипом. Коэф- фициенты корреляции, характеризующие внутрипар-ное сходство МЗ близнецов, превышали оценки внут- рииндивидуальной стабильности КГР. • Воспроизводимость параметров КГР характеризуется коэффициентами корреляции от 0, 5 до 0, 6. Сходство КГР у МЗ близнецов оказалось даже выше, чем сход-ство КГР у одного и того же человека при повторных регистрациях. У ДЗ близнецов аналогичные коэффи-циенты были значительно ниже. • Наиболее значительные различия были получены для абсолютных показателей, в этом случае сходство ДЗ близнецов было намного ниже, чем МЗ. • Подобная разница позволяет относить абсолютные значения параметров КГР к категории признаков, которые Д. Ликкен назвал эмерджентными. Они определяются не семейным сходством, а уникальными особенностями сочетания генов конкретного генотипа.

Исследование Д. Ликкена • При использовании относительных значений сходство МЗ близнецов примерно в два раза превышало сходство ДЗ, что свидетельствует об аддитивном действии генов. • С точки зрения авторов, различия в характере генетических влияний — эмерджентный для абсолютных и аддитивный для относительных оценок амплитудных параметров КГР — объясняются разной природой данных показателей. • При этом подразумевается, что абсолютная амплитуда КГР определяется большим числом факторов и отражает не только реактивность ЦНС на внешнее воздействие, но и некоторые побочные эффекты (например, она зависит от числа потовых желез в месте приложения электрода и др. ). При вычислении относительных величин посторонние влияния исключаются, что и приводит к изменению соотношения компонентов наследуемости.

Наследуемость параметров КГР Показатели Генетическая Общая Индивиду- среда альная среда Абсолютная крутизна 70, 3 5, 2 24, 5 наклона кривой КГР Число предъявлений 40, 7 00 58, 3 стимула до исчезновения ответа Средняя амплитуда КГР из 59, 1 00 40, 9 первых четырех проб Максимальная амплитуда 56, 0 00 44, 0 КГР Относительная амплитуда 54, 1 00 34, 8 КГР (отношение средней к максимальной)

Исследование Д. Ликкена По данным Д. Ликкена, в изменчивость параметров КГР существенный вклад вносит и индивидуальная среда (табл. ), что, по-видимому, неслучайно, поскольку динамика КГР тесно связана с ориентировочно-исследовательской активностью индивида и особенностями его эмоционального реагирования, которые в онтогенезе претерпевают существенные изменения.

КГР при ориентировочной и оборонительной реакциях • Кроме показателей КГР в состоянии покоя (фоновых), в ряде работ изучалась КГР в экспериментальных ситуациях, вызывающих ориентировочную (Ор) и оборонительную (Об) реакции. • Обе эти реакции сопровождаются множеством физиологических изменений. • КГР представляет собой «ключевой» компонент Ор, отражающий значимость ситуации и «запускающий» Ор (Кочубей Б. И. , 1983).

КГР при ориентировочной и оборонительной реакциях (Зловский Р. и др. , 1976) • Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что наследственные факторы лежат в основе индивидуальных различий показателей КГР при угашении ориентировочной реакции (привыкание Ор) на звук и при оборонительной реакции, вызванной громким звуком. • Для Ор и Об коэффициенты наследуемости составляют 1, 0 и 0, 62 соответственно.

Исследование Б. И. Кочубея (1983, 1988) • Испытуемым предъявляли звуки различного тона и интенсивности, вызывающие либо ориентировочную, либо оборонительную реакции, и фиксировали различные параметры КГР (по Тарханову). • Результаты, полученные Б. И. Кочубеем (1983, 1988), также подтвердили факт влияния генотипа на характеристики электрокожной активности при ОР и Об. Поскольку КГР является ключевым компонентом Ор, т. е. отражает сам факт активации функциональной системы Ор, то, возможно, полученные данные позволяют говорить и о наследственной детерминации индивидуальных особенностей Ор.

Индивидуальные особенности привыкания КГР • Интересны результаты изучения КГР в ситуации угаше- ния ориентировочной реакции при повторении стимула – изучения «привыкания ОР» . • Привыкание реакции на новый стимул является важней- шим механизмом адаптации, его можно рассматривать и как простейшую модель обучения. Эта важнейшая ха- рактеристика связана с различными психологическими особенностями человека. Индивидуальные особенности ориентировочной реакции связаны с обучаемостью, когнитивными стилями, особенностями темперамента. • Как показали работы Д. Ликкена и др. (1988), Б. И. Кочубея (1983) индивидуальные особенности привыка- ния КГР имеют выраженный наследственный компо- нент. По данным Б. И. Кочубея, вклад неаддитивных генетических факторов в межиндивидуальные различия по скорости привыкания КГР на звуки) Дб (Ор) и 105 Дб (Об. Р) составляет 74% и 53% соответственно.

Оценка КГР при исследовании умственных процессов (Раевский А. М. ) • В опытах данного исследования участвовало 76 испытуемых следующих возрастных групп: взрослые (19 — 26 лет), подростки (13 — 16 лет), дети — младшие школьники (7 — 9 лет).

Методика • Перед испытуемым на расстоянии 1 метра находилось табло с 16 ю сигнальными окошками, размером 30 х30 мм каждое. В качестве раздражителей использовались покрытые люминофором безынерционные пластины. В середине табло была нанесена фиксационная точка. Руки испытуемого находились на подлокотниках около реакционных кнопок. • Согласно инструкции испытуемый должен был находить связи между отдельными элементами табло.

В работе были подвергнуты анализу следующие показатели умственной деятельности испытуемых: 1) время решения задания или время осуществления умственного акта и выделения искомой связи между заданными определениями; 2)латентные периоды тестирующих реакций— ВР 1, ВР 2, ВР 3; 3)КГР (по Тарханову).

Обоснование регистрации КГР Из психофизиологических исследований известно, что кожногальваническая реакция (КГР) как показатель вегетативных сдвигов, сопровождает умственную деятельность человека. Она связана с процессом решения задач продуктивного характера следующим образом: в начале процесса обучения способу выполнения деятельности наблюдается КГР интенсивной амплитуды; по мере усвоения человеком алгоритма решения задач КГР постепенно снижается и угасает совсем, как только способ решения оказывается усвоенным (Ефимова, Яшина, 1973).

Особенности вегетативных реакций у взрослых • У взрослых испытуемых выраженные вегетативные реакции регистрировались отчетливо в начальных опытах — на этапе освоения способа решения экспериментальных заданий. Как только способ решения заданий оказался усвоенным, КГР угасали.

Особенности вегетативных реакций у подростков • В группе подростков решение экспериментальных заданий также вызывало выраженные вегетативные реакции, но они проявлялись не только на начальных этапах эксперимента, но и вновь возникали при появлении затруднений при решении заданий. Как только задание оказывалось выполнено, КГР снижалась.

Особенности вегетативных реакций у детей • В группе детей регистрировались выраженные вегетативные реакции. Они сопровождали деятельность детей почти на всем протяжении опыта: предъявление каждого задания сопровождалось увеличением амплитуды КГР, которая незначительно снижалась после выполнения каждого отдельного экспериментального задания.

Выводы по работе Раевского А. М. • При анализе вегетативных реакций, полученных в каждой возрастной группе испытуемых, обнаружена следующая особенность: умственные операции у детей по сравнению с подростками и взрослыми осуществляются при участии глобальных нервных структур, в том числе, и структур вегетативной нервной системы.

Выводы по работе Раевского А. М. • Можно предположить, что с возрастом, по мере того, как возрастает способность субъекта к более быстрому усвоению условий и правил предстоящей деятельности, в частности, при решении заданий продуктивного характера, связь умственных процессов с вегетативными реакциями снижается.

Выводы по работе Раевского А. М. • В психофизиологии общепринята точка зрения, согласно которой вегетативное реагирование связано с эмоциональными, энергетическими затратами организма. С этой точки зрения, выявленная у детей глобальность включения в умственный процесс структур вегетативной нервной системы, может свидетельствовать о больших, чем у взрослых эмоциональных и энергетических затратах, обслуживающих течение умственных процессов.

Общие выводы по лекции: 1. КГР относится к числу генетически обусловленных характеристик. Монозиготные близнецы имеют более высокое внутрипарное сходство по таким показате- лям КГР, как амплитуда, латентный период и скорость привыкания. 2. В изменчивость параметров КГР существенный вклад вносит и индивидуальная среда, т. к. динамика КГР связана с ориентировочно-исследовательской активностью индивида и особенностями его эмоционального реагирования, которые в онтогенезе претерпевают существенные изменения. 3. Действием генетических факторов объясняется от 21, 7% до 70, 3% фенотипической дисперсии по КГР. Влияние генетических факторов при нагрузках больше.

Литература: 1. Равич-Щербо И. В. , Марютина Т. М. , Григоренко Е. Л. Психогенетика. М. : Аспект-пресс, 1999. 2. Раевский А. М. Возрастной аспект нейродинамики умственных процессов, протекающих с участием вербальных и зрительных сигналов. С. 205 -218. 3. A. CRIDER, W. S. KREMEN, H. XIAN, K. C. JACOBSON, B. WATERMAN, S. A. EISEN, M. T. TSUANG, M. J. LYONSh Stability, consistency, and heritability of electrodermal response lability in middle-aged male twins // Psychophysiology, 41 (2004), 501– 509.