Коллективное поведение рыбок данио регулируется двумя генами

Ученые из США и Германии исследовали коллективное поведение мальков данио-рерио и влияние на него мутаций, ответственных за неврологические заболевания у людей.

Аквариумные рыбки данио-рерио — удобная модель для исследований в области генетики, биологии развития и нейробиологии. Как и многие другие рыбы, данио-рерио имеют склонность к стайному поведению, то есть к перемещению группами на близком расстоянии друг от друга и/или синхронной смене направления движения. В стае каждая рыбка должна подстраиваться под своих соседей, оценивая скорость их передвижения, ориентацию и расстояние между ними. Способность быстро реагировать на окружение варьируется у рыбок в зависимости от врожденных генетических параметров и может модулироваться с помощью питания. По-видимому, в этом процессе играют важную роль такие сенсорные функции, как механорецепция боковой линии, обоняние и зрение.

Исследование и картирование нейрофизиологических связей, отвечающих за коллективное поведение, удобно выполнять на мальках рыб: их мозг еще прозрачен, а цепочки связей проще, чем у взрослых. Авторы новой работы использовали мальков в возрасте 7 дней и 21 день после оплодотворения (dpf). Они исследовали поведение в группах по пять мальков, которые плавали в круглом резервуаре. Камера, установленная над резервуаром, фиксировала ориентацию и скорость движения каждого малька. На 7 dpf мальки уже пытались взаимодействовать между собой и объединяться в группу, но их движения были рассеянными. На 21 dpf мальки плавали намного ближе друг к другу и уже демонстрировали выровненные, однонаправленные движения в группе. Оказалось, что семидневные мальки реагируют на присутствие в поле зрения соседней рыбы поворотом в сторону от нее, тогда как мальки 21 dpf, наоборот, поворачивают в сторону более «загромождающей» поле зрения соседней рыбки.

Затем с помощью CRISPR-Cas9 ученые получили мальков с мутациями в двух генах, scn1lab и disc1, отвечающих за фенотипы социального поведения у взрослых рыб. Мутация в scn1lab связана с синдромом Драве у людей, а у взрослых рыб вызывает несогласованное групповое поведение. Мутации во втором гене, disc1, связаны с шизофренией у людей. Нарушение в этом гене у взрослых рыбок приводит к повышенной сплоченности групп. Мальки 7 dpf с мутантными аллелями scn1lab также демонстрировали повышенную рассеянность в группе по сравнению с диким типом. На 21 dpf эта рассеянность снижалась и начиналась агрегация, но она была снижена по сравнению с диким типом. Также как и у взрослых рыб, у мальков на обеих стадиях развития повышалась сплоченность при нарушении гена disc1. Это сопровождалось изменениями реакции на объекты, затеняющие поле зрения.

Ранее было показано, что мальки рыб могут выравниваться по ориентации в группе в ответ на движущиеся визуальные сигналы. Ученые провели анализ оптомоторного ответа (OMR) у мутантных и диких мальков, подавая в камеру с плавающими рыбками (7dpf) с помощью прожектора облако мерцающих, неупорядоченно движущихся точек. Оказалось, что мутации изменяют и реакцию на движущиеся объекты: у мальков с мутацией scn1lab повышалась склонность к выравниванию, а у мальков с мутацией disc1 увеличивался интервал между сигналом и реакцией на него.

Используя экспериментальные и литературные данные, ученые создали компьютерную модель на основе двух зрительно-моторных рефлексов (реакция на затенение поля зрения и реакция на движущиеся точки), управляющих поведением виртуальных рыбок.

«Смоделированные группы рыб вели себя точно так же, как настоящие личинки рыбок данио. Это ясно указывает на то, что коллективное поведение животных действительно можно объяснить с помощью этих относительно простых поведенческих реакций», — говорит руководитель исследования Армин Бахл, нейробиолог из Констанцского университета (Германия). Авторы считают, что простота модели и ее применимость даже к семидневным малькам делают ее хорошей отправной точкой для анализа алгоритмов, управляющих коллективным поведением.