Генетика против воспитания: что изучение близнецов говорит о работе мозга

Введение в вечный спор: природа или воспитание

Дискуссия о соотношении врожденных факторов и влияния среды (nature versus nurture) сопровождает человечество на протяжении веков. Новое научное исследование с участием 175 монозиготных (идентичных) и 88 дизиготных (неидентичных) взрослых близнецов проливает свет на то, как гены и внешняя среда определяют фундаментальные аспекты эмоциональной и рациональной жизни человека.

Научная работа, возглавляемая Хаеме Парк (Haeme Park) из организации Neuroscience Research Australia и опубликованная в авторитетном журнале Human Brain Mapping («Картирование мозга человека»), использовала передовые методы нейровизуализации для изучения когнитивных и эмоциональных процессов. Анализируя данные близнецов, исследователи попытались определить относительное влияние генетических факторов и окружения на функционирование человеческого мозга.

Что такое исследования близнецов в современной науке?

Используя структурное уравнение (structural equation modeling), ученые могут разделить общую изменчивость конкретного признака — например, осознанного распознавания эмоций или устойчивого внимания — на несколько компонентов. К ним относятся генетические факторы, общие для пары условия среды и индивидуальные факторы среды. Понимая, какая доля вариативности признака обусловлена генетикой (наследственностью), а какая — внешними условиями, исследователи получают ключ к пониманию механизмов, управляющих человеческим поведением.

Методика исследований близнецов заключается в сопоставлении данных идентичных и неидентичных близнецов. Однояйцевые близнецы обладают практически идентичным набором ДНК, в то время как разнояйцевые делят примерно 50 процентов общих генов. Это позволяет выявить генетическую предрасположенность к тем или иным свойствам. Поскольку близнецы часто растут в одинаковых условиях, вариативность факторов окружающей среды в таких выборках снижена.

В недавнем исследовании Парк использовала данные масштабной когортной программы TWINE, которая включает 1669 здоровых взрослых австралийских близнецов. Состав участников был практически поровну разделен между монозиготными и дизиготными парами, а также между мужчинами и женщинами. Основная цель проекта TWINE — выявление биомаркеров, влияющих на эмоциональное здоровье мозга в динамике.

Исследовательская группа собрала обширный массив данных, включавший онлайн-тестирование, электроэнцефалограмму, функциональную магнитно-резонансною томографию (фМРТ) и выполнение когнитивных задач. Данные функциональной магнитно-резонансной томографии были получены у подгруппы из 263 участников, вошедших в итоговый анализ Парк.

Когнитивные и эмоциональные задачи в эксперименте

Предыдущие научные изыскания доказали, что генетика играет значительную роль в структурном развитии различных зон головного мозга. Однако лишь немногие работы оценивали связь генетики с функциями мозга в реальном времени, пока участники выполняли конкретные задания.

В исследовании Парк близнецы выполняли пять различных тестов во время сканирования мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Два теста были направлены на оценку эмоциональных реакций: неосознанная (подсознательная) обработка эмоций на лицах и осознанная обработка эмоциональных выражений. Испытуемым демонстрировали стандартные изображения лиц, выражающих гнев, страх, печаль, отвращение, радость или нейтральное состояние.

В ходе теста на неосознанную обработку эмоциональные лица показывались всего в течение 10 миллисекунд, после чего мгновенно маскировались нейтральным лицом, исключая осознанное восприятие. При осознанной демонстрации лицо показывалось 500 миллисекунд. После каждого задания участников спрашивали, какие эмоции они смогли зафиксировать.

Оставшиеся три задания оценивали когнитивные функции:

• Тест N-back (Эн-бэк): измерял рабочую память и устойчивое внимание путем демонстрации букв на экране в течение 200 миллисекунд с требованием запомнить буквы определенного цвета.
• Тест Go/NoGo (Го/Ноу-гоу): оценивал торможение реакций, требуя нажимать на зеленую кнопку при стимуле «идти» и игнорировать красную при стимуле «стоп».
• Задание на поиск новинки (Oddball task): измеряло избирательное внимание и обработку новой информации через реакцию на звуковые сигналы частотой 1000 Герц и игнорирование сигналов частотой 50 Герц.

Пока участники справлялись с задачами, аппаратура фиксировала активность нейронов в различных зонах мозга. Затем ученые сравнили показатели активности между всеми участниками.

Результаты исследования: что показала наука?

Для оценки связи между наследственностью и мозговой активностью ученые применили два статистических метода: многомерный анализ независимых компонент (ICA) и подход с выделением заранее определенных областей интереса в мозге (ROI).

Анализ независимых компонент позволяет выделить локальные сети функциональной связи внутри мозга и обнаружить скрытые паттерны в данных. Метод областей интереса концентрируется на конкретных участках мозга, заведомо отвечающих за когнитивные и эмоциональные процессы.

«Результаты показали, что степень генетического влияния на функции мозга напрямую зависит от конкретного типа выполняемой задачи».

В тестах на рабочую память, устойчивое внимание, неосознанное распознавание позитивных и негативных эмоций, а также избирательное внимание была выявлена слабая или умеренная генетическая обусловленность. При этом осознанное восприятие эмоций и торможение реакций не показали статистически значимой наследственности. Наиболее выраженное влияние генов наблюдалось в сетях, связанных с исполнительными функциями.

В частности, анализ показал следующие цифры:

• Для неосознанного распознавания отвращения по сравнению с нейтральными стимулами генетический фактор составил 26 процентов (с участием верхней височной извилины и островковой доли).
• Для неосознанного страха по сравнению с радостью — 23 процента.
• Сети рабочей памяти (фронтопариетальная область и нижняя теменная долька) продемонстрировали наследственность на уровне 27 процентов.
• Сети устойчивого внимания показали наследственность в 33 процента.
• Сети обработки новизны показали значимую наследственность на уровне 32–33 процентов.

Метод областей интереса (ROI) дал следующие результаты: вентральный стриатум (полосатое тело) показал 20-процентную наследственность при осознанном восприятии эмоций лиц. Билатеральная миндалевидное тело (амигдала) продемонстрировала существенный вклад генетики (правая сторона: 33 процента, левая: 34 процента) при неосознанном предъявлении эмоциональных лиц. В то же время классические зоны рабочей памяти и торможения реакций не выявили значимой наследственности через этот метод.

Эволюционная адаптация и влияние среды

Один из самых интригующих выводов заключается в том, что генетика играет большую роль в различении отвращения и страха, чем положительных эмоций. Исследователи предполагают, что это объясняется эволюционной адаптацией: быстрое распознавание угроз и ядовитых элементов критически важно для выживания.

Тем не менее, в отношении осознанного восприятия эмоций ученые склоняются к доминированию факторов окружающей среды. Социальные ожидания, культурные нормы и контекст межличностного общения варьируются столь широко, что внешние социальные влияния начинают играть ключевую роль в формировании эмоционального интеллекта и социальных взаимодействий.

Будущие направления исследований мозга

Данная работа представляет собой важный шаг вперед в понимании того, как биология и среда формируют нашу ментальную деятельность. Однако она не дает окончательного ответа на вечный вопрос о соотношении природы и воспитания. Модели близнецов имеют свои ограничения, включая допущение о равных условиях среды и случайном подборе партнеров в популяции.

В будущем продольные (лонгитюдные) исследования, отслеживающие развитие мозга на протяжении всей жизни человека, помогут точнее понять механизмы взаимодействия генов и среды. Понимание генетических основ когнитивных процессов также открывает новые возможности для персонализированной психиатрии, помогая врачам эффективнее бороться с тревожными расстройствами и депрессией.