Тема 7. Психогенетические исследования нормальной вариативности

Психогенетика сенсорных процессов. В развитии нервной системы имеются критические периоды, когда принципиально важную роль играют сенсорные воздействия окружающего мира, без которых невозможно правильное формирование нервных механизмов восприятия. Генетические программы развития реализуются таким образом, что в них предусмотрен учет воздействий из окружающей среды.

Одним из наиболее известных видов наследственного полиморфизма у человека является разная чувствительность к вкусу фенилтиомочевины (ФТМ). Фенилтиомочевина представляет собой бесцветное кристаллическое вещество. Некоторые люди ощущают вкус этого вещества даже при малых концентрациях: оно кажется им интенсивно горьким. Другие люди считают его безвкусным. Существуют вещества, похожие по химическому составу, вкус которых воспринимается таким же образом. По-видимому, ощущение вкуса зависит от способности вкусовых рецепторов воспринимать группировку = N - C = S.

В 1931 г. было обнаружено, что способность ощущать вкус ФТМ является наследственным признаком. Оказалось, что признак наследуется по Менделю. Рецессивные гомозиготы (tt) не ощущают вкус ФТМ, тогда как гетерозиготы (Tt) и гомозиготы с доминантными аллелями (ТТ) считают ФТМ горьким веществом. Этот тип вкусового полиморфизма свойствен не только человеку, но и большинству приматов. Нечувствительные к вкусу ФТМ люди чаще страдают заболеваниями щитовидной железы, среди них чаще встречаются индивиды, которым не нравится вкус алкогольных напитков.

Примерно 25-30% людей имеют генотип tt. Хотя установлен рецессивный тип наследования нечувствительности к ФТМ, однако существуют и другие возможные объяснения, включая неполное доминирование и множественный аллелизм.

Исследовались также генетические аспекты других вкусовых ощущений. Было обнаружено три вкусовых локуса для разных веществ, причем в одном из них объединялись такие вещества, как хинин, сахароза и хлористый натрий. Оказалось также, что чем ниже был порог ощущения горьких веществ, тем более разборчивым оказывался данный индивид по отношению к различным видам пищи. Пороги вкусовой чувствительности в семьях значительно варьируют.

Наследственные особенности обоняния, кинестетической и тактильной чувствительности у человека остаются практически не изученными. Имеются лишь некоторые указания на существование наследственных форм нечувствительности к запахам ряда веществ.

Генетика вариативности нормальной слуховой чувствительности также почти не исследована, хотя работ по изучению наследственной передачи глухоты и тугоухости достаточно. Что касается нормы, то здесь основное внимание было привлечено к наследованию абсолютного музыкального слуха. Абсолютный музыкальный слух определяется как способность безошибочно определять высоту звука или нескольких звуков при прослушивании и точно называть ноту. Люди, обладающие абсолютным слухом, часто имеют и феноменальную музыкальную память. Помимо этого для них характерны высокие математические способности и хорошая память вообще. У обладателей абсолютного слуха иногда встречаются и другие виды сенсорной одаренности (в области вкусовых ощущений, например). Некоторые из них способны к синестезиям (цвето-музыкальным ассоциациям). Такой способностью обладали композиторы Скрябин, Сибелиус, Чюрлёнис.

А бсолютный слух чаще встречается у женщин. Имеются указания на то, что абсолютный слух коррелирует с нарушениями способности к обучению в школе. Абсолютный слух сопутствует также некоторым наследственным неврологическим заболеваниям (синдром Виллиса, аутизм). У музыкантов с абсолютным слухом (правшей) была выявлена более значительная межполушарная асимметрия в височной области коры головного мозга: размеры левой - височной пластинки - оказались значительно больше, чем правой. Современные компьютерные методы исследования мозга показывают, что у обладателей абсолютного слуха имеются и другие особенности мозговой организации, отличающие их от остальной популяции.

В проведенном в 1998г. исследовании, включающем 600 профессиональных музыкантов, была сделана попытка проверить, не влияет ли ранний опыт на развитие абсолютного слуха. Оказалось, что раннее начало музыкальных занятий (в 4 года и раньше), способствует развитию абсолютного музыкального слуха. По-видимому, помимо наследственной предрасположенности, на развитие абсолютного слуха влияет и научение.

В 2000г. было проведено формализованное тестирование восприятия высоты звука на выборке испытуемых и отобраны индивиды с особенно высокими результатами. Тестирование сибсов этих испытуемых показало, что исключительно высокие способности к восприятию высоты звука имеют тенденцию к накоплению в семьях. Как считают авторы, при достаточном количестве родственников, можно будет картировать локус, отвечающий за абсолютный слух.

В генетике зрительной чувствительности и зрительного восприятия наиболее известны наследственные варианты нарушений цветового зрения. Неспособность различать красный и зеленый цвета у некоторых людей была отмечена еще в XVIII в. Это нарушение известно под названием «дальтонизм». Большинство людей различают цвета, полученные в результате смешения красного, зеленого и синего частей спектра. Их называют трихроматами. У некоторых людей в сетчатке отсутствуют элементы для восприятия одного из цветов. Такое нарушение носит название дихромазии. Слепота на красный цвет называется протанопия, а слепота на зеленый - дейтеранопия. Оба нарушения контролируются двумя сцепленными с полом рецессивными аллелями, поэтому их частота гораздо выше у мужчин (в среднем 8 %), чем у женщин (0,64 %). Встречается также нарушение различения цветов в сине-зеленой области, однако сцепления с полом здесь не наблюдается. Признак контролируется аутосомным геном.

Феномен, объясняющий тип наследования цветовой слепоты, называется наследованием, сцепленным с полом (см. раздел 2). Гены, ответственные за данную аномалию, локализованы в половых хромосомах. Поскольку особи разного пола несут разные половые хромосомы (XX у женщин и XY у мужчин), это приводит к определенным отклонениям от менделевских закономерностей наследования.

Ц ветовая слепота вызывается рецессивным аллелем с на Х-хромосоме. В результате того, что мужчины получают свою единственную Х-хромосому от матери, даже одного аллеля, вызывающего цветослепоту, достаточно, чтобы у мужчины, унаследовавшего аллель с на Х-хромосоме матери, развилось это заболевание. Для женщин же одной копии аллеля с недостаточно, они должны унаследовать две Х-хромосомы, несущие гены цветовой слепоты. Именно этим объясняется то, что у мужчин цветовая слепота встречается чаше, чем у женщин.

У человека существует пара хромосом, которая различается у мужчин и женщин. Женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины несут одну Х- и одну Y-хромосому. Y-хромосома значительно меньше по размеру, чем любая другая хромосома в геноме человека, и содержит «мужские гены», а также относительно небольшое количество генов, отвечающих за другие признаки. Сын и дочь наследуют одну хромосому X от матери; от отца дочери наследуют вторую Х-хромосому, а сыновья - Y-хромосому. Сыновья не могут унаследовать отцовскую Х-хромосому (если в зародыше сольются две Х-хромосомы - одна от матери, другая от отца, то это слияние и определит пол ребенка, т.е. разовьется женская особь). Дочери наследуют одну Х-хромосому от своих отцов, но для проявления рецессивных признаков они должны получить идентичную копию рецессивного аллеля от своих матерей.

Механизмы наследования цветовой слепоты показаны на рис. 7.2. Если семья состоит из цветослепой матери и нормального отца (рис. 7.2.а), то это означает, что мать несет два аллеля с (по одному на каждой из Х-хромосом), а на Х-хромосоме отца располагается нормальный аллель С. Поэтому каждый из сыновей неизбежно унаследует одну из Х-хромосом матери, несущую с-аллель, и, соответственно, будет страдать цветовой слепотой. Все дочери тоже унаследуют одну из Х-хромосом матери, несущую аллель с, однако в результате того, что они получают Х-хромосому отца с нормальным аллелем С, фенотипически они будут нормальны, но будут носителями рецессивного признака (для обозначения фенотипически нормального носителя патологического аллеля символ этого индивидуума штрихуется наполовину).

В случае, когда семья состоит из цветослепого отца и здоровой матери, не являющейся носителем рецессивного аллеля, фенотипически все дети здоровы (рис. 7.2.б, первое поколение), но все дочери окажутся носителями аллеля цветовой слепоты, поскольку унаследовали отцовскую Х-хромосому, содержащую аллель с. Если же одна из дочерей образует семью с мужчиной, нормально различающим цвета, то половина ее сыновей (но ни одна из дочерей!) будут страдать цветовой слепотой (рис. 7.2.б, второе поколение). Половина дочерей такой женщины будет нести аллель с, который может проявиться в следующем поколении.

Таблица 7.1. Внутриклассовые корреляции для некоторых тестов на особенности восприятия по данным о монозиготных и дизиготных близнецах.

Тест	rМЗ	rДЗ
Размер остаточного изображения	0,71 0,68 0,98 0,75	0,08 0,00 0,22 0,23
Внимательность	0,50 0,66 0,67	0,10 0,15 0,05
Критическая частота мельканий	0,71	0,21
Иллюзия Мюллера-Лайера	0,53 0,55 0,51 0,57	0,39 0,05 0,37 0,28
Автокинетический феномен	0,72	0,21

Частота встречаемости мужчин с нарушениями цветового зрения варьирует в популяциях (примерно от 2% до 12%), причем она выше в индустриально развитых странах. Цветовая слепота может развиваться и у людей, не обладающих соответствующим генотипом. Показано, что на цветовое зрение могут влиять некоторые психические особенности человека, в частности, плохая психическая приспособляемость и плохая приспособляемость к особенностям питания. В этом случае возникают фенокопии цветовой слепоты. Фенокопиями называются модификации фенотипа, развивающиеся под действием среды и имитирующие наследственные варианты. Как ни странно, среди учащихся художественных школ довольно часто встречаются дихроматы. Если студент уверен в себе и не знает о своем дефекте, его недостаток мало сказывается на его успехах. Часто такие учащиеся работают в оригинальной цветовой гамме.

В психогенетике исследовались также некоторые особенности зрительного восприятия, включая отдельные иллюзии, размер остаточного изображения, критическую частоту мельканий, время опознания изображения. В качестве иллюстрации приведем таблицу внутриклассовых корреляций МЗ и ДЗ близнецов и значений наследуемости для некоторых тестов зрительного восприятия (табл. 7.1).

Люди по-разному воспринимают мир, и в основе этих различий лежат не только особенности среды, в которых происходит развитие. Существуют определенные наследственные варианты сенсорной чувствительности и сенсорного восприятия, которые вместе с разнообразием сред формируют наблюдаемые индивидуальные различия. Каждый человек воспринимает одни и те же сигналы окружающей среды по-своему. Соответственно и реакции разных людей на одни и те же явления и события могут отличаться в силу различий, существующих на уровне элементарных ощущений и восприятия.

Психогенетика двигательных функций. МЗ и ДЗ близнецы сравнивались по срокам начала ходьбы. Такие исследования проводились, в частности, в Москве в конце 20-х гг. в Медико-генетическом институте. Конкордантность МЗ близнецов по срокам начала хождения оказалась равной 67%, тогда как для ДЗ близнецов - лишь 29,9%. В других работах также имеются указания на более высокую конкордантность МЗ близнецов по срокам начала ходьбы. При проведении корреляционного анализа и вычислении наследственных и средовых составляющих фенотипической дисперсии оказалось, что довольно существенный вклад в сроки начала ходьбы вносит общесемейная среда (50-70%).

В ряде работ у МЗ и ДЗ близнецов сравнивались особенности мимики и пантомимики. Как правило, исследователи указывают на высокое сходство мимических паттернов у МЗ близнецов при гораздо меньшем сходстве ДЗ близнецов.

Еще один признак, который может быть, на первый взгляд, отнесен к разряду альтернативных - это право- леворукость, или просто «рукость» (этот термин стал употребляться в последнее время в отечественной литературе как прямой перевод английского handedness). Эта особенность двигательной сферы человека изучена в психогенетике гораздо полнее.

Частота леворукости в среднем составляет 5%, однако колебания этого показателя довольно значительны (от 1 до 30%) в зависимости от конкретной популяции, пола, рода занятий и возраста. Среди народностей Севера левши встречаются намного чаще, чем в других популяциях. Например, среди коренных жителей Таймыра их около 35%. У младенцев предпочтение руки не обнаруживается, хотя наблюдаются некоторые асимметрии позы, связанные с преимущественным поворотом головы вправо. Есть данные, свидетельствующие о том, что пропорция левшей в популяции с возрастом имеет тенденцию снижаться. В некоторых популяциях отмечается довольно значительное уменьшение числа леворуких среди людей старческого возраста, что побудило проверить, не различаются ли правши и левши по продолжительности жизни. Выяснилось, что среди людей, погибших от несчастного случая, левшей оказывается больше, чем правшей. В среднем левши и люди со смешанной рукостью (амбидекстры) умирают раньше, чем правши. Предполагается, что левши и амбидекстры являются своеобразной группой риска в связи с возможностью скрытой нейропатологии. Вместе с тем на юге Швеции было обнаружено, что среди женщин, больных раком груди, левши встречаются достоверно реже, чем среди здоровых женщин. Одним из возможных объяснений может быть общее влияние гормональных факторов на становление ручной асимметрии и риск рака молочной железы. Есть указания на связь рукости с аутоиммунными заболеваниями. Как видим, асимметрия рук связана с определенными биологическими факторами. В то же время не исключено влияние социальных причин, поскольку в становлении моторики рук немаловажную роль играют процессы научения.

К сложным поведенческим навыкам относятся такие особенности, как походка и ходьба в целом, почерк, спортивные навыки, мимика и т.п.

При исследовании природы межиндивидуальной вариативности биоэлектрической активности мозга наиболее распространенными методами являются регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и связанных с событиями потенциалов мозга, или вызванных потенциалов (слуховых, зрительных, соматосенсорных и связанных с движениями). Как ЭЭГ, так и вызванные потенциалы (ВП) характеризуются своеобразным рисунком, отличающимся у разных индивидов, но, в то же время, сохраняющим индивидуальную специфику, что выявляется при повторной регистрации этих видов активности у одних и тех же людей. Такие особенности биоэлектрических паттернов мозга позволили предположить, что в индивидуальных особенностях функционирования мозга проявляются наследственные черты.

Методы регистрации ЭЭГ и ВП начали применяться достаточно давно - еще в первой половине ХХ в. В 1929 г. Г. Бергер зарегистрировал волновую активность мозга у человека. Достаточно регулярные волны с частотой около 10 колебаний в секунду, доминирующие в ЭЭГ большинства людей в состоянии покоя, были названы им «альфа-ритмом» (ритм Бергера).

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - результат регистрации разности электрических потенциалов между различными точками кожного покрова головы. Она представляет собой сумму ритмических колебаний различной частоты. В зависимости от частоты выделяют различные ритмические составляющие ЭЭГ: дельта-волны с частотой до 4 Гц, тета-волны с частотой 4-8 Гц, альфа-волны с частотой 8-13 Гц, бета-волны с частотой 15-50 Гц. В состоянии покоя в темноте с закрытыми глазами в ЭЭГ человека, как правило, преобладают альфа-волны, хотя встречаются индивиды, у которых альфа-ритм почти не регистрируется.

Общий рисунок, или паттерн, ЭЭГ каждого человека удивительно своеобразен. Его индивидуально-специфический характер, сложившись к 15-18 годам, сохраняется на протяжении длительного периода жизни, почти не меняясь. Эта особенность ЭЭГ побудила исследователей уже на первых этапах развития электроэнцефалографии искать наследственные причины наблюдающихся индивидуальных различий. Первое такое исследование было выполнено на 8 парах МЗ близнецов в 1936 г. (Davis H., Davis P.). Авторы отметили поразительное сходство рисунков ЭЭГ у идентичных близнецов. Казалось, что у МЗ близнецов энцефалограммы отличаются не более чем у одного человека. Даже у МЗ близнецов, разлученных с самого раннего детства, паттерны ЭЭГ были удивительно похожими. ЭЭГ-паттерн, как одна из надежных характеристик фенотипа, может быть использован для определения зиготности близнецов. Примеры энцефалограмм МЗ и ДЗ близнецов приведены на рисунке 7.1.

Рис. 7.1 Энцефалограммы а - МЗ и б - ДЗ.

Исходя из индивидуальных особенностей рисунка ЭЭГ Ф. Фогель сопоставил их с психологическими типами пробандов. Психологическое обследование пробандов включало стандартные тесты, измеряющие интеллект, концентрацию внимания, особенности сенсорной и моторной сферы, а также стандартные личностные опросники. Приведем два описания для крайних вариантов ЭЭГ: «монотонные альфа-волны» и «низковольтная ЭЭГ».

1. Монотонные альфа-волны (45 пробандов, аутосомно-доминантный тип наследования). Обладатель этого варианта ЭЭГ активен, стеничен, эмоционально стабилен, хорошо контролируем, устойчив к стрессу. Точность работы в тестах на концентрацию внимания и кратковременную память выше среднего, в то же время он не отличается высокой скоростью работы. Исследования семей выявили некоторую положительную ассортативность для этого типа ЭЭГ. Предполагаемая нейрофизиологическая основа указанных психологических особенностей - возможность значительной модуляции и селективного усиления афферентных стимулов благодаря особой регулярности альфа-ритма. (Предполагается, что одной из функций альфа-ритма ЭЭГ в приеме и переработке поступающих сигналов является скрининг и селективное усиление информации).

2. Низковольтная ЭЭГ (контртип предыдущего, 47 пробандов, аутосомно-доминантный тип наследования). Психологически пробанд отличается расслабленной и беззаботной позицией, экстраверт, ориентирован на группу, малоинициативен. Интеллект и особенно пространственные способности выше среднего. Относительно низкие показатели в тестах на концентрацию. Нейрофизиологически такой паттерн ЭЭГ должен быть связан со слабой модуляцией и селективным усилением афферентных стимулов.

В дальнейших исследованиях пробандов, обладающих этими крайними вариантами ЭЭГ, были получены доказательства существования и биохимических различий. Изучалась активность фермента допамин-бета-гидроксилазы (ДБГ), причастного к синтезу одного из переносчиков нервного возбуждения в нервной системе. Средняя активность ДБГ у обладателей монотонных альфа-волн была почти вдвое выше, чем у обладателей противоположного типа (низковольтной ЭЭГ). Таким образом, наследственные различия в ЭЭГ оказались связанными и с различиями более высокого уровня (психологическими), и с различиями в биохимических процессах, которые ближе всего отстоят от уровня действия генов. Исследования такого рода демонстрируют важность изучения наследуемости не только психологических характеристик, но и сопоставления их с психофизиологическими и биохимическими показателями, являющимися промежуточными характеристиками фенотипа на пути от гена к поведению.

В настоящее время уже удалось локализовать ген, ответственный за низкоамплитудный вариант ЭЭГ. Он оказался связан с маркером дистальной части длинного плеча хромосомы 20.

Вызванные потенциалы (ВП) представляют собой изменения биоэлектрической активности в ответ на внешние или внутренние стимулы (как правило, в интервале 0-500 мс после действия стимула). Эти колебания биоэлектрической активности называют также потенциалами мозга, связанными с событиями, поскольку они могут регистрироваться и при отсутствии раздражителя: если в цепи событий вероятность появления сигнала высока, но очередной сигнал не появляется, возникает биоэлектрический ответ на его отсутствие. ВП могут быть зарегистрированы и перед произвольным движением.

Вызванные потенциалы отражают процессы переработки информации в нервной системе. Условно выделяют «экзогенные» и «эндогенные» компоненты. Экзогенные компоненты регистрируются сразу же после подачи стимула и отражают активность специфических проводящих путей, по которым поступают афферентные сигналы, и зон мозга, в которых они обрабатываются. Эндогенные компоненты связывают с активностью неспецифических ассоциативных областей коры. ВП, связанные с разными сенсорными системами (зрительные, слуховые, соматосенсорные, связанные с движениями), отличаются своими характеристиками. Для психофизиологии наибольший интерес представляют те колебания биоэлектрической активности, которые регистрируются позже 60 мс, поскольку они отражают активность коры головного мозга и связаны с психологическими особенностями человека.

Вызванные потенциалы, так же как ЭЭГ, отличаются индивидуальным своеобразием. Индивидуальный рисунок ВП также характеризуется устойчивостью, т.е. мало варьирует при повторных регистрациях у одного и того же человека, хотя его устойчивость меньше, чем ЭЭГ. Чтобы проверить, не отражает ли индивидуальная специфика ВП влияния наследственных факторов, были проведены исследования близнецов и других родственников. Регистрация вызванных потенциалов у близнецов демонстрирует сходство волновой формы у МЗ и меньшее совпадение у ДЗ.

Вопросы для закрепления:

• К категории каких признаков (качественных или количественных) относится большинство видов сенсорной чувствительности?

• Какие наследуемые характеристики сенсорного восприятия вы знаете?

• Какой вид сенсорной чувствительности, сцепленный с полом, вы знаете?

• Как наследуется абсолютный слух?

• Что вы знаете о наследовании морфологии мозга?

• Как регистрируют электроэнцефалограмму?

• Какие параметры ЭЭГ использовались для изучения наследуемости?

• Что такое паттерн ЭЭГ?

• Почему ЭЭГ можно использовать для диагностики зиготности близнецов?

• Какие наследуемые паттерны ЭЭГ встречаются в популяции?

• В чем проявляется межполушарная асимметрия в наследуемости ЭЭГ?

• Какой из ритмов ЭЭГ обладает высокой наследуемостью?

• Какой метод психофизиологии используется для изучения сенсорного восприятия?

• О чем может свидетельствовать индивидуальная специфичность ВП?

• Что вы можете сказать по поводу наследуемости слуховых ВП? Зрительных ВП?

• Какие типы двигательных действий исследовались в психогенетике?

• Какие альтернативные двигательные признаки анализировались в психогенетике?

• Как наследуется право- леворукость?

• Какие стандартизованные двигательные пробы использовались в психогенетических исследованиях? Какие результаты получены?

• Как наследуются спортивные навыки, почерк, мимика?

• Какие физиологические показатели могут использоваться в психогенетических исследованиях моторики?

Литература: [1, 6, 9, 10, 11, 12, 13,17,18].