2014-01-27

1

Biologiczne podstawy zachowań;

genetyka zachowania

Robert K. Filipkowski

[e-mail]

Genetyka zachowania człowieka

genetyka zachowania

in.

genetyka behawioralna

,

lub

genetyka ilościowa

– ze względu na wykorzystanie metod statystycznych)

Genetyka ilościowa ocenia

ODZIEDZICZALNOŚĆ

(stopień, w jakim dana cecha zależy od genotypu)

J.W. Kalat, str. 11-14

Przyczyny powstawania różnic indywidualnych / źródła zmienności

- czynniki genetyczne

- efekt epigenetyczny

modyfikacje chemiczne genów wpływające na ich aktywność
(bez zmiany sekwencji DNA); np.

metylacja DNA, acetylacja histonów

- środowisko

wszystkie niegenetyczne czynniki wpływające na zachowanie
środowisko wspólne a środowisko specyficzne (historia życia), np.:

- kolejność urodzin dziecka

- zdarzenia losowe (choroby, urazy)

- interakcje z innymi ludźmi

- warunki psychologiczne i ekonomiczne życia

Efekt epigenetyczny

regulacja epigenetyczna ekspresji genów - zmiany w aktywności genów spowodowane
modyfikacjami chemicznymi DNA i histonów, bez zmiany sekwencji DNA

metylacja/demetylacja

DNA

grupa metylowa = -CH3
metylacja: zablokowanie DNA

acetylacja

histonów

acetylacja histonów:
odblokowanie DNA

grupa acetylowa

CH3

O

1. Opiekuńczość względem szczurzych osesków

Zmiany epigenetyczne w promotorze receptora glukokortykoidowego (GR) w
formacji hipokampa pod wpływem opieki okazywanej przez matkę
Mniej opieki = większa metylacja, mniejsza acetylacja, gorsze wiązanie się
czynnika transkrypcyjnego Zif268, mniejsza transkrypcja GR, mniej
receptorów GR, więcej kortykosteronu w wypadku stresu, większa
reaktywność na stres

2. U ludzi; molestowanie w dzieciństwie

Zwiększona metylacja promotora receptora glukokortykoidowego w formacji
hipokampa u samobójców z udokumentowaną historią molestowania w
dzieciństwie w porównaniu z samobójcami bez historii molestowania i
osobami z grupy kontrolnej

3. Acetylacja histonów powiązana z powrotem funkcji u myszy

Powrót zdolności uczenia się i pamięci po uszkodzeniu
neurozwyrodnieniowym u myszy został przyspieszony i zwiększony poprzez
stymulację acetylacji histonów.

Efekt epigenetyczny, przykłady

Metoda bliźniąt
porównanie różnic w zachowaniu pomiędzy bliźniętami wewnątrz par MZ i DZ

1.

Metoda bliźniąt MZ i DZ wychowywanych razem

założenia: 1. bliźnięta MZ są genetycznie jednakowe

2. wpływ środowiska jest taki sam wewnątrz par MZ i DZ

3. jeżeli podobieństwo między bliźniętami MZ jest

większe niż między bliźniętami DZ, to można wnioskować,

że różnice w zachowaniu są uwarunkowane genetycznie

2.

Porównywanie bliźniąt wychowywanych osobno

(bada, czy wspólne środowisko ma istotny wpływ na podobieństwo zachowań)
Jeżeli bliźnięta były rozdzielone wcześnie i dorastały w różnych warunkach
środowiskowych, to podobieństwo między bliźniakami MZ świadczy o genetycznym
uwarunkowaniu badanej cechy.

Metody badawcze genetyki zachowania (tzw. tradycyjne)

Metoda bliźniąt
Metoda adopcyjna

2014-01-27

2

Metoda adopcyjna

porównanie stopnia podobieństwa pomiędzy dziećmi adoptowanymi
a rodzicami adopcyjnymi z podobieństwem występującym pomiędzy
tymi samymi dziećmi a ich rodzicami biologicznymi

Wyniki
Wysokie wskaźniki odziedziczalności dla:

- szczegółów anatomii mózgu,
- wielu zachowań:

- samotności,

- neurotyzmu,

- oglądania telewizji,

- postaw społecznych,

- schizofrenii (

Rys. 15.19, str. 479, J.W. Kalat

)

Przeszacowanie odziedziczalności; przyczyny

1.

Im bardziej ujednolicone warunki środowiskowe, tym wyższa odziedziczalność

,

np. dzieci adoptowane wychowują się w podobnych warunkach, więc obserwowane
różnice w obserwowanych cechach w większym stopniu będą wskazywać na rolę
genów.

2.

Dodatkowy wpływ życia płodowego

- bliźnięta MZ rozwijają się razem, bliźnięta DZ – osobno (

Rys. 1.8, str. 12, J.W. Kalat

)

- dzieci rodziców z niskim IQ, przestępców i chorych psychicznie mają gorsze
warunki życia płodowego

3.

Geny wpływają też na ludzi otaczających dziecko

- ładne dzieci są lepiej traktowane
- spokojne dzieci są traktowane spokojnie itp.

efekt mnożnika

(wczesna tendencja związana ze zmianą zachowania

zmienia środowisko powodując nasilenie tej tendencji)

Lektura (

J.W. Kalat, str. 13-14

)

„Wpływ środowiska na zachowania odziedziczone”
„Jak geny wpływają na środowisko”

Metody molekularne genetyki zachowania

(poszukiwanie i identyfikowanie genów związanych z cechą (chorobą) opierające
się na istnieniu markerów genetycznych o znanej lokalizacji)

Analiza sprzężeń

– opiera się na sprzężeniach między genami; wykazanie segregacji

między

chorobą (cechą)

a

markerem genetycznym

świadczy o tym, że w rejonie

chromosomowym zawierającym dany marker znajduje się gen związany z danym
aspektem zachowania

Markery genetyczne

np. polimorfizm pojedynczej zasady (

SNP

)

Sposoby badań

-

całościowe przeszukiwanie genomu

(markery w całym genomie,

GWAS

)

-

badanie genów kandydackich

/ kandydujących (markery wybranych alleli)

Identyfikacja polimorfizmów

-

mikromacierze DNA (DNA microarrays)

- miniaturowe szklane podłoże

- różne fragmenty DNA

np. mikromacierze oligonukleotydowe
(złożone z krótkich odcinków jednoniciowego DNA)

podstawa działania – zasada komplementarności

mikromacierze

materiał genetyczny
tysięcy

np. pacjentów

i nie-pacjentów

analiza
informatyczna

czworaczki Genain

Przykład badań typu GWAS - schizofrenia

Genetyka a schizofrenia

Wyniki badań metodą adopcyjną

Główny gen kandydacki

DISC1 (disrupted in schizophrenia 1)

koduje białko współdziałające z jedną z kinaz

2014-01-27

3

Badania GWAS wskazały na geny powiązane z infekcją i odpornością

MHC – główny kompleks zgodności tkankowej

- w zgodzie z niepotwierdzonymi obserwacjami, że przejście chorób
zakaźnych w czasie ciąży zwiększa ryzyko zachorowania;

- chorzy na schizofrenię częściej rodzą się zimą i wiosną

CHOROBA PARKINSONA

W chorobie Parkinsona

śmierć neuronów istoty czarnej

prowadzi do

- spadku stężenia dopaminy w prążkowiu
(gł. jądrze ogoniastym i skorupie)
- zmniejszenie pobudzenia kory mózgowej
(zaburzenia funkcjonowania kory ruchowej)

James Parkinson
1817 r.
“An Essay on the Shaking Palsy”

SKORUPA

JĄDRO

OGONIASTE

ISTOTA

CZARNA

http://bio.org/splice/

neurony

dopaminergiczne

komora

boczna

stopniowe obumieranie komórek produkujących

dopaminę

w

części zbitej

istoty czarnej

J.W. Kalat, str. 249-253

J.W. Kalat, Rys. 8.17, str. 250

Choroba Parkinsona,

objawy

-

drżenie

(trzęsienie się) ręki lub nogi

-

powolne ruchy, niemożność ruchu (sztywność)

- szuranie nogami, przygarbiona postawa
- czasem zmieniona mimika twarzy
- mówienie cicho
- problemy wyobrażania sobie ruchów
- zaburzenia snu

- depresja

- tendencja do upadków

- zaburzenia kognitywne

- problemy gastryczne

Diagnoza następuje, gdy ok 50-80% neuronów istoty czarnej obumarło.
Symptomy są zauważalne.

Proponowane mechanizmy:

-

uszkodzenie mitochondriów

(stres oksydacyjny, wolne rodniki)

-

agregacja białek

–

ciałka Lewy’ego w cytoplazmie neuronów

składniki ciałek Lewy’ego:

- alfa-synukleina

- GBA, glukocerebrozydaza

- ubikwityna

-

procesy zapalne

Podłoże genetyczne, geny/białka:

1.

a

-synukleina

2. GBA, glukocerebrozydaza (enzym hydrolityczny)
3. LRRK2 (leucine-rich repeat

kinase

2, dardaryna)

4. parkina (składnik ubikwitynowego systemu degradacji białek)

Czynniki środowiskowe:

- boks
- kokaina (zanieczyszczenie MPTP)
- pestycydy/herbicydy
(substancje chemicznie pokrewne MPTP)

Leczenie

- prekursor dopaminy (

L-DOPA

)

(nieefektywne, gdy obumiera zbyt wiele neuronów dopaminergicznych)
-

agoniści receptorów dopaminergicznych

(powodują kompulsje)

-

inhibitory MAO i COMT

(enzymy rozkładające dopaminę)

- przeciwutleniacze
- uszkodzenie struktur mózgu (np. gałki bladej)
-

głęboka stymulacja mózgu jądra niskowzgórzowego (część podwzgórza)

- kawa i papierosy ??? (ale nie kofeina i nikotyna! badania na muszkach owocowych)

Choroba Alzheimera

(mechanizm choroby nie jest do końca wyjaśniony)

- 60-70% przypadków demencji
- ryzyko zachorowania wzrasta z wiekiem
- znaczna utrata pamięci, początkowo ubytki pamięci epizodycznej
- nieuleczalna, śmiertelna (przeważnie 7 lat po diagnozie)
- występuje sporadycznie (SAD)
- dziedziczona w 1% przypadków

brak skutecznej terapii

2014-01-27

4

Choroba Alzheimera

ostateczna diagnoza – post-mortem:

- zmiany neurodegeneracyjne, gł. formacji hipokampa

-

beta-amyloid

, beta-amyloid protein, BAP

(gęste złogi amyloidowe, blaszki,

płytki amyloidowe

, płytki starcze)

między neuronami

- białko

tau (bierze udział w polimeryzacji i stabilizacji mikrotubul)

,

w formie hiperfosforylowanej agreguje
(

kłębki neurowłókienkowe

, sploty neurofibrylarne)

wewnątrz neuronów

Podłoże genetyczne

Geny/białka:

APP
tau
PS1 (presenilina 1)
PS2 (presenilina 2)
ApoE (allele e2, e3, e4)

e4 – wzrost ryzyka

e2 – działanie protekcyjne

Beta-amyloid powstaje z większego białka
APP, w cięciu APP uczestniczą preseniliny.

Emocje

How are you feeling today?

J.W. Kalat, str. 355-363

str. 372-385

Potrzeby

większe im większy „odczuwany brak”
(aspekt subiektywny potrzeby)

większe im dłuższy okres niezaspokojenia (

deprywacja

)

Bodźce awersyjne
Bodźce apetytywne

Emocje to przyczyna czy efekt zachowania?

popęd –

stan pobudzenia

pewnych zespołów ośrodków i dróg nerwowych, w

którego wyniku zostaje

uruchomiona

aktywność organizmu

ukierunkowana

na zaspokojenie istniejącej potrzeby lub na uchronienie się przed działaniem
szkodliwego bodźca

Popędy wyzwalają

złożone czynności behawioralne (zachowania popędowe).

motywacja

– całokształt mechanizmów sterujących zachowaniami popędowymi

bodźce (czynniki) motywacyjne

– bodźce (czynniki) uruchamiające popędy, np.

EMOCJE (

vs. Teoria Jamesa-Langego

; Kalat, str. 358-361)

„Mimo oczywistego znaczenia emocji w ludzkim życiu,
naukowcy wciąż nie są w stanie w pełni zdefiniować tego zjawiska.”

„Niestety, najdonioślejszym twierdzeniem, jakie sformułowano na temat
emocji, jest to, że każdy wie, czym one są, dopóki nie zostanie poproszony o
ich zdefiniowanie.”

Joseph Le Doux

„Terminologia zjawisk popędowo-emocjonalnych nie jest jednolita.”

Bogdan Sadowski

Emocje a wybory moralne

J.W. Kalat, Rys. 12.1, str. 357

2014-01-27

5

Emocje a wybory życiowe / decyzje finansowe

niewłaściwe wykonanie u osób z uszkodzeniem

kory przedczołowej lub ciała migdałowatego

J.W. Kalat, str. 358

Osoby, które nie są w stanie przewidzieć nieprzyjemności związanych z prawdopodobnym
rezultatem swoich działań, mają tendencję do podejmowania niewłaściwych decyzji.

Np.:
Osoby z syndromem zatrzaśnięcia przeważnie odczuwają wyciszenie.

Ponieważ osoba nie może ani wprawić w drżenie swoich mięśni, ani
wywołać nudności czy jakichkolwiek innych zmian w organizmie, mózg
odbiera informacje o wyciszeniu (Damasio, 1999).

J.W. Kalat, str. 361-362

układ limbiczny – pojęcie historyczne???

Obrzydzenie aktywuje wyspę.

Prawa półkula reaguje silniej na bodźce emocjonalne.

Układ limbiczny – miejsce biologicznej oceny doznań zmysłowych według
kryterium przyjemne-nieprzyjemne

widok przyśrodkowej powierzchni mózgu, struktury stare ewolucyjnie

formacja hipokampa

ciało migdałowate

sklepienie

zakręt obręczy

płat
potyliczny

płat skroniowy

płat czołowy

zakręt przyhipokampowy

przegroda

Zakręt obręczy

lokalizacja –

przyśrodkowa powierzchnia półkuli mózgu,

nad ciałem modzelowatym

formacja hipokampa

ciało migdałowate

sklepienie

zakręt obręczy

płat
potyliczny

płat skroniowy

płat czołowy

zakręt przyhipokampowy

przegroda

ciało modzelowate
(spoidło wielkie)

2014-01-27

6

Zakręt obręczy
cytoarchitektonika
wg. podziału Brodmanna

funkcja – sterowanie reakcjami
emocjonalnymi
z silnym elementem lękowym

Ciało migdałowate

CE – j. środkowe
BL – j. podstawno-boczne
ME – j. przyśrodkowe
CO – j. korowe

Połączenia ciała migdałowatego

ciało migdałowate

- układy sensoryczne
- narządy wewnętrzne

(sterowanie czynnościami

emocjonalnymi)

inne struktury układu
limbicznego

- układ ruchowy
- układ wegetatywny
- układ dokrewny

Połączenia ciała migdałowatego z korą mózgową

ciało migdałowate

- układ ruchowy
- układ wegetatywny
- układ dokrewny

obszary asocjacyjne

przetworzone informacje sensoryczne;
wzorce pobudzeń

inne struktury układu
limbicznego

kojarzenie bodźca warunkowego z aktualną
wartością motywacyjną wzmocnienia

ośrodek wykonawczy, koordynacja
funkcji podwzgórza i struktur
podstawy mózgu

jądro środkowe

jądro podstawno-boczne

Warunkowanie strachu (opóźnione)

(

Delayed fear conditioning

)

Trening

120/150 sec.

CS

15 sec.

Test

A

CS

B

US

2 sec.

CS

US

na bodźce wyodrębnione /

cue

na bodźce ciągłe /

context

2014-01-27

7

AGRESJA i OBRONA

J.W. Kalat, str. 372-383

zachowania agresywne
- wysoka odziedziczalność,
- wpływ środowiska prenatalnego (palenie przez matkę w ciąży),
- testosteron
- uszkodzenie kory przedczołowej
- zmniejszone wydzielanie serotoniny

STRACH vs. LĘK

ATAK EMOCJONALNY vs. ATAK ŁOWCZY (ZIMNY)

Laboratoryjne badanie agresji

I. Obserwacja
II. Model rezydenta-intruza
III. Agresja wywołana izolacją
IV. Test dominacji (test rury)

V. Drażnienie elektryczne

podwzgórza

(np. kot + narkotyzowany szczur

1.
brak drażnienia – obwąchiwanie

2.
drażnienie przyśrodkowej części podwzgórza – atak afektywny, emocjonalny, gwałtowny,
(wściekłość)

3.
drażnienie bocznej okolicy podwzgórza – atak spokojny, chłodny, „łowczy”

LH

część boczna podwzgórza

agresja chłodna

MH

część przyśrodkowa podwzgórza

agresja emocjonalna

PAG

substancja szara

okołowodociągowa

pień
mózgu

ME

j. przyśrodkowe

substancja P

Glu

BL

CE

j. środkowe

j. podstawno-boczne

ciało migdałowate

+

+

+

LH

agresja chłodna

MH

agresja emocjonalna

PAG

pień
mózgu

ME

j. przyśrodkowe

substancja P

Glu

BL

CE

j. środkowe

j. podstawno-boczne

ciało migdałowate

+

+

+

Glu

+

enkefalina

+

GABA

GABA

-

-

Dodatkowo

1.

Jądro przyśrodkowe

jest

stymulowane

przez

neurony

dopaminergiczne i noradrenergiczne

2.

substancja szara okołowodociągowa

jest

hamowana

przez

neurony

serotoninergiczne

LĘK, stany patologiczne

np. fobie
stany lękowe połączone z natrętnymi myślami, natręctwami ruchowymi

agorafobia – lęk otwartych przestrzeni
klaustrofobia – lęk małych pomieszczeń

Stany patologiczne - leczenie

leki przeciwlękowe –

anksjolityczne;

leki aktywujące receptory GABA (wzmagają działanie samego GABA na receptor)

-

benzodiazepiny (np. diazepam = Relanium/Xanax)

,

-

barbiturany (np. fenobarbital)

na receptory GABA działa także etanol

leki aktywujące receptory serotoniny

- np.

buspiron

J.W. Kalat, str. 381-383

Eksperymentalne badanie lęku

1.

Unieskony labirynt krzyżowy

2. Oświetlenie pola z pokarmem,

otwarte pole

3. Warunkowanie strachu (badanie strachu)

Używane np. w badaniach leków przeciwlękowych.