Электроды, гены, два близнеца: российско-британская лаборатория поведенческой генетики ПИ РАО

Поведенческая (или психо-) генетика — это наука, которая пытается разобраться в том, как сочетаются в людях гены и среда. История лаборатории возрастной психогенетики Психологического института РАО отражает состояние современной поведенческой генетики во всем мире — расширение инструментария, рост количества коллабораций и увеличение роли кросс-культурных исследований.

Кто мы такие и что творим?

В одном старом-старом здании рядом со строением самого старого университета страны, скрытый от посторонних глаз бизнес-центрами и подземными стоянками, расположился институт. Психологический институт Российской академии образования, на третьем этаже которого уже много лет в поте лица работает лаборатория возрастной психогенетики ПИ РАО. Но, видимо, сначала нужно сделать небольшое отступление.

Психогенетика (или — в западном варианте — поведенческая генетика) — это интегративная наука, изучающая процессы взаимодействия генетических и средовых факторов в формировании индивидуальных различий по интеллекту, когнитивным функциям, личностным чертам и другим поведенческим параметрам. В междисциплинарных исследованиях используются самые разные методы: молекулярно-генетические (гены-кандидаты, GWAS и другие), нейрофизиологические, экспериментально-психологические и др. В целом, основание исследований в поведенческой генетике — это оценка вклада наследственности и среды в вариацию фенотипа посредством сравнения индивидов с заведомо известным генетическим сходством (например, моно- и дизиготных близнецов или детей и их родителей). Однако иногда используют и более стандартные для генетики молекулярно-генетические подходы [1].

Человечеству всегда было интересно, являемся ли мы tabula rasa — «чистым листом», на котором просто отпечатывается обучение и личный опыт, — или уже рождаемся неодинаковыми, с разными задатками и склонностями. Если 200 лет назад об этом говорили только философы, то в наше время до решения таких сложных вопросов добралась и генетика. Всё больше и больше молекулярных механизмов предлагается для описания тех или иных видов расстройств [2]. Так, различные виды зависимостей часто связывают с генами рецепторов к дофамину, а шизофрению совсем недавно удалось связать c генами, регулирующими синаптический прунинг [3]. Анализ генетических факторов в разных группах риска может принести и практическую пользу обществу в целом, послужив основой для разработки методов, которые смогут выявлять людей, склонных, например, к криминальному поведению или суициду [4], [5]. Как это ни удивительно, различия в политических взглядах тоже в какой-то мере определяются генетическими факторами [6], а самые смелые исследователи даже пытаются связать поведение и эпигенетику [7], [8]. Конечно, надо понимать, что связь генетических и средовых факторов нельзя описать эффектами одного гена. Сила эффекта какого-то конкретного полиморфизма в 99% случаев оказывается крайне малой. Этим современная количественная генетика отличается от того, что рассказывают в школе про менделевское наследование. Кроме того, некоторые генетические факторы могут проявляться только при определенном воздействии окружающей среды. Так, изучение генетики политических предпочтений выявило связь либеральных и консервативных взглядов с разными вариантами гена фермента МАО-а. Однако в случае МАО-а эта связь опосредуется количеством друзей в подростковом возрасте. В другом исследовании ген 5-НТТ оказался связан с явкой на выборы. Но только у тех участников исследования, кто часто ходил в церковь. Подробнее об этом рассказывает статья «Политика — это у нас в крови!» [9].

В нашей лаборатории мы занимаемся той частью поведенческой генетики, которая связана с обучением. Исторически исследования такого типа базировались на близнецовом методе — оценке сходства между парами моно- и дизиготных близнецов для определения вклада генетических и средовых факторов в индивидуальные различия. И, конечно, эти исследования изначально затрагивали в основном поведенческие аспекты: среди методик числились, например, опросники темперамента или тесты на время реакции. Более поздние исследования уже были связаны с генетической психофизиологией — изучением наследуемости электрофизиологических показателей мозга.

С развитием и увеличением доступности методов в наш арсенал вошли и молекулярно-генетические исследования, в первую очередь — в рамках подхода генов-кандидатов. В Москве у нас пока нет собственной молекулярно-генетической лаборатории (хотя в обозримом будущем она должна появиться), но на базе дружественных нам Уфимского центра генетики и Томской лабораторий когнитивных исследований и психогенетики мы выделяем из образцов (преимущественно крови и слюны) ДНК, которую готовы в дальнейшем анализировать уже с коллегами из более профильных учреждений. Несмотря на то, что сейчас у нас нет финансовых возможностей для проведения полногеномного анализа ассоциаций на таком большом количестве испытуемых, мы храним все образцы для будущего (в котором, как мы верим, всё станет дешевле и проще).

Место под солнцем

В лаборатории ежегодно проводится огромное количество исследований. Мы работаем совместно с рядом лабораторий и кафедр в России и СНГ: в Нижнем Новгороде, Уфе, Томске, Ижевске, Челябинске и даже Бишкеке, — а также сотрудничаем с мировыми трендсеттерами: наша лаборатория — детище двух организаций, ПИ РАО и Goldsmiths College, и возглавляется директорами с обеих сторон. Вся область поведенческой генетики довольно коллаборативна — обязывает необходимость сбора огромных объемов данных и их анализа. У нас есть совместные работы с лабораториями из Огайо (США), Китая, Киргизии и многих других стран.

Но хватит отделываться общими словами: нам же интересны реальные исследования, так? Полный список наших работ можно найти в конце статьи, а пока — несколько тизеров. Сотрудники нашей лаборатории совместно с Томском ведут второй в мире лонгитюд (исследование, в котором замеры повторяются в течение длительного времени, например, каждые два-три года) семей с детьми, зачатыми с помощью экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) [10; 11]. Первые замеры начинаются УЖЕ с момента оплодотворения. С зиготы, Карл! Вы едва начали существовать как клетка, а мы уже вас изучаем! (Напомним, что такие исследования возможны благодаря Роберту Джеффри Эдвардсу, создавшему технологию ЭКО [11].) При этом наша выборка позволяет подбирать для анализа родителей с разным уровнем генетического родства с будущим ребенком (с обоими, с обоими же, но без внутриутробной среды матери, только с матерью, только с отцом или ни с кем из них). Такой экспериментальный план позволяет отделять генетические воздействия не только от средовых, но даже от пренатальных!

Или другой пример. В качестве моделей в большинстве случаев нам нужны близнецы. Учитывая количество факторов, влияющих на индивидуальные различия, для достижения статистически значимых эффектов необходимы выборки большего масштаба, чем принято анализировать в других областях наук о поведении. Собрать необходимое количество непросто, учитывая небольшую частоту их встречаемости в популяции (1–3%). В Великобритании, например, есть проект TEDS (Twins Early Development Studies), который, используя огромный близнецовый регистр, помогает собирать килотонны данных в кратчайшие сроки. Хороший опыт надо перенимать, именно поэтому в настоящий момент мы вместе с Томском формируем Российский школьный близнецовый регистр. Если близнецы не идут в лабораторию, лаборатория едет к близнецам, получая доступ к колоссальной базе потенциальных респондентов для любых наших будущих исследований.

Кросс-культурные исследования

...В 2015 году мы опубликовали сразу две статьи — в журналах Personality and invdividual differences и Developmental science — в рамках масштабных кросс-культурных проектов, над которыми традиционно работаем с нашими зарубежными коллегами.

В одном из них мы изучали мотивацию к обучению у школьников из Великобритании, Канады, Японии, Германии, США и России [12]. На 13 тыс. детей от 9 до 16 лет было показано, что различия между ними в тяге к знаниям примерно на 40% определяются генами, а на оставшиеся 60% — индивидуальной средой. Генетическая мотивация, мы серьезно! Если вы в школе учились так себе, но хотите исправить ошибки на своих детях, можете начинать расстраиваться.

В другой работе мы смотрели на то, как связаны когнитивные способности с ранними арифметическими навыками [13]. Когнитивные характеристики мы здесь брали такие, которые потенциально могли бы влиять на успешность в математике: время реакции (окей, это классика), числовое и нечисловое сравнение множеств (2 > 1, 5 > 3; три точечки меньше, чем восемь точечек) и знание чисел (это пять, это восемь). Это базовые способности, которые, как показывают исследователи, можно найти не только у людей, но и, например, приматов и даже голубей [14], а в каком-то зачатке — и у цыплят [15]! И их, и арифметические навыки проверяли у детсадовцев и младшешкольников (626 детей 5–7 лет из Великобритании, Китая, России и Киргизии). При этом в Киргизии мы изучали не только самих киргизов, но и детей-дунган — выходцев из Китая, сохранивших серьезное генетическое родство и похожий устный язык. Это важно, потому что одна из ведущих гипотез о математическом превосходстве выходцев из стран Азии (см. результаты PISA, например) объясняет их преимущество именно языковыми факторами: то ли устными, то ли письменными (скорее, письменными). При этом дунгане получают образование по тем же программам, что и киргизы. Результаты показали, что, судя по всему, групповые различия в математических способностях объясняются преимущественно факторами среды: дунгане показали довольно близкий к киргизам результат, серьезно отличавшийся как от китайского, так и от британского и российского.

Иногда мы любим собрать в большой черный мешок латентные факторы и намазать их на многопеременную модель. Сделав так однажды на данных 7500 близнецовых пар из Twins Early Developemnt Studies, обследовавшихся в 7, 9 и 12 лет, сложно остановиться. Особенно учитывая обнаруженные закономерности: оказывается, вклад генов в различия по математическим и языковым способностям в младшешкольном возрасте куда выше, чем в различия по общему интеллекту [16]. Почему так получается, пока не до конца ясно, но существует гипотеза, что это следствие стандартизированной образовательной программы, которая одинаково для всех развивает математические и языковые способности, увеличивая таким образом относительный вклад генов в индивидуальные различия.

Помимо таких развлечений, мы ведем исследования, посвященные психофизиологии и функционированию рабочей памяти, психогенетике темперамента и интеллекта, управляющей функции, пространственным и лингвистическим способностям в различных культурах и многому другому. Важно уточнить, что, благодаря сотрудничеству с другими российскими лабораториями, в том числе с Институтом биохимии и генетики (Уфа), у нас есть возможность проводить психогенетические исследования полного цикла: и тесты порешать, и сиквенсы посмотреть. Караваны, везущие пробирки со слюной из Москвы в Уфу или Томск — явление вполне регулярное.

Немного о нас (всё сложно)

Исходя из методического арсенала, нет ничего удивительного в том, что наша лаборатория, созданная еще в 1972 году выдающимся психогенетиком Инной Владимировной Равич-Щербо, первоначально называлась лабораторией генетической психофизиологии. В 1993 лабораторию возглавил Сергей Борисович Малых, и, взяв уверенный курс на активное включение в международную науку, в 2011 привел её к реорганизации в Российско-британскую лабораторию психогенетики. К тому моменту лаборатория уже выстроила на своей базе коллаборации с группами исследователей из Твери, Санкт-Петербурга, Бишкека, Ижевска и Уфы — в общем, к началу объединения мы уже представляли собой внушительного отечественного флагмана.

Но вернемся к интернациональному сотрудничеству. С момента объединения лабораторией руководят два человека: Сергей Малых с российской стороны, а Юлия Ковас — с британской. А дальше, как говорится, стоит только вступить на тракт: Юлия вскоре возглавила мегагрантовую лабораторию когнитивных исследований и психогенетики Томского государственного университета, таким образом сблизив нас и с ней. В свою очередь, на нашей новой совместной базе была создана исследовательская сеть INRiCHD (International Network for Research in Child Health and Development). Шаг за шагом мы включались в сотрудничество с коллегами по всему миру, образуя настоящий лабораторный консорциум: InLab (INternational LABoratory) — Международную лабораторию междисциплинарных исследований индивидуальных различий в обучении. Мы консолидируем, координируем и консультируем в России и сотрудничаем, обмениваемся данными и процедурами со всем миром, по мере сил и возможностей способствуя развитию поведенческой генетики.

Не конкуренция, а кооперация

Мы всегда открыты для любого сотрудничества. Мы уже взаимодействуем с профильными лабораториями в Великобритании, Киргизии, Китае и Америке, а также внутри России (Томск, Челябинск, Нижний Новгород, Уфа и так далее) — вы только почитайте предыдущий раздел. Тем не менее, даже если вы занимаетесь не совсем поведенческой генетикой (а иначе мы бы о вас, вероятно, слышали), но у вас есть что предложить — скорее пишите!

Мы с удовольствием берем аспирантов, но «защищаем» в первую очередь кандидатов психологических наук, имейте в виду. Готовы брать студентов, обсуждаем возможность набирать рекрутов с факультета биоинженерии и биоинформатики, сотрудничаем с НИУ ВШЭ (в рамках программы «Когнитивная нейронаука: от нейрона к познанию»). Писать курсовые, дипломы и статьи в Российско-британской лаборатории поведенческой генетики — стильно, модно и молодежно. Настоятельно рекомендуем!

Оснащение

Тут мы, конечно, отстаем от коллег-генетиков по сложности и финансовым затратам, но большинству психологов прикурить дадим. Разумеется, наше главное оружие — это неожиданность, страх и безжалостная эффективность, но помимо них в арсенале имеются:

Поведенческие методики

Золотой стандарт психологического тестирования — анкеты, тесты, формы. Мы не очень любим опросники, так или иначе диагностирующие мистическую «личность», а вот тесты на интеллект, пространственное мышление, умственное вращение, чувство числа и прочие способности — очень котируем. Проходящая от анкетных гугл-форм через flash-игрушки на упомянутое вращение и другие невербальные причуды линия финиширует где-то в районе автоматизированных нейропсихологических батарей в духе CANTAB. Если это звучит недостаточно брутально, просто представьте себе стильный черный планшет с уникальным софтом, который позволяет делать безумное количество разных тестов, от простых Go — No Go для понимания, достаточно ли вообще респондент себя контролирует, чтобы отвечать на вопросы, не поддаваясь импульсивному порыву, и до сложных вербальных тестов на принятие решений, исполнительную функцию, память, внимание и многое другое. Если вы никогда не привозили такой девайс в киргизское село или в деревню под Ижевском, вы вряд ли знаете, каково ощущать себя Доном Руматой или на крайний случай Эшем Уильямсом. Но мы не собираемся останавливаться на закупленном и уже разрабатываем собственную систему конструирования и проведения когнитивных тестов, взяв за основу бесценный опыт наших кембриджских коллег.

Компьютерные игры

Да, наши эстонские и итальянские коллеги разработали две полномасштабных компьютерных игры, King’s Challenge и Spy, которые используются для всеохватывающей оценки пространственных способностей. (Вообще-то, игры это только по форме, а на самом деле — серьезные исследовательские инструменты.) В первой вы — известный королевский инженер, решающий серию задач для возведения замка королю: нужно нарисовать 2D-проекцию стен, ориентируясь на 3D-изображение, или наоборот; опознать угол, с которого представлен конкретный вид объекта; решить серию задач на физическую логику (какой ящик упадет первым, какая шестеренка крутится быстрее, кто из двух наблюдателей видит другого в зеркале); найти выход из лабиринта... Эти и другие задачи решаются на скорость, а финальную оценку по каждому блоку можно зашерить в соцсетях!

Что же до Spy, то в ней вы играете роль шпиона-контрразведчика. Бродите по городу, запоминаете маршруты, добираетесь до позиций в кратчайшие сроки, ориентируетесь по сторонам света или лэндмаркам, теряя миникарту, выбираете направление, глядя на снимок с камер слежения, — справитесь вы со своим заданием или нет, зависит только от вас.

А пока вы бегаете по городу или решаете задачи, мы отслеживаем латентное время обработки задания, время реакции, способы решений, кратчайшие маршруты и так далее. Всё это огромной базой данных ложится на серверы, чтобы потом скрупулезно разбираться по нескольким научным работам и исследовательским группам. Мало того, конкретно эти методики мы используем в большом кросс-культурном исследовании, включающем Великобританию, Россию, Китай и Киргизию. Ну разве не бомба?

ЭЭГ-оборудование высокой плотности — до 160 отведений прямо с вашего скальпа

Разделяем вас с вашим близнецом, сажаем перед допотопным монитором в темной закрытой комнате, где ранее располагался холодильник, шприцами заливаем в электроды (хотя по ощущениям — прямо в мозг) гель и заставляем около часа решать арифметические, алгебраические и лингвистические задачи. Пишем и анализируем энцефалограмму не только во время активного решения задач, но и в фоновом, расслабленном состоянии — насколько это возможно в темной закрытой комнате с двумя-тремя бородатыми мужиками со шприцами.

Ай-трекинг (High-speed SMI)

Можем точно сказать, смотрите ли вы в глаза, когда вас об этом настойчиво просят. Пока больше ни для чего не используется, но экспериментальные дизайны, включающие ай-трекинг, уже на подходе.

Молекулярно-генетические методы

Это, как вы помните, не у нас, а у томских и уфимских коллег. И тем не менее все близнецы исправно плюют в колбочки, а мы отправляем биоматериал в Сибирь, чтобы похоронить там в вечной мерзлоте. Шутка. Они там что-то с ним делают. Мы не очень знаем, что.

Б — значит будни

Помимо каждодневного общения в нашей славной компании, работающей в московском институте, раз в неделю мы устраиваем общий скайп на Лондон, Москву и Томск для поддержания всех сотрудников в тонусе и общем контексте (см. рисунок ниже).

Типичный день для сотрудника выглядит так — собираем данные близнецов: приходит вместе пара моно- или дизигот, у которых мы собираем слюну, пишем ЭЭГ, заставляем их два часа корпеть над нейропсихологическими батареями в темноте бывшего холодильника за закрытой дверью толщиной 15 сантиметров без надежды выйти отсюда когда-либо. В соседней аудитории сотрудники, не занятые поддержанием имиджа сумасшедших ученых, в панике дописывают статьи и отчеты по грантам. Те, кто не дописывают, разъезжают по городам и весям, охотясь за данными и устраивая засады на крупные группы школьников и студентов. Возвращаются с трофеями и садятся их сортировать: таксидермисты от обработки данных — довольно привередливые ребята, особенно учитывая тот факт, что ценятся они на вес золота и работают во всех проектах сразу. Да, если специалист по обработке данных — это вы, вам осталось только уметь читать и понимать намеки, чтобы знать, где вас очень ждут.

Если говорить серьезно, мы скорее стайеры, чем спринтеры. Собранных в один-два захода данных с лихвой хватает на два года последующего анализа и публикаций как в отечественных журналах, так и в зарубежных. Разумеется, процессы идут параллельно. Кроме того, мы координируем сбор и анализ данных в Бишкеке, Ижевске, Нижнем Новгороде, Томске, Челябинске и других городах — короче, по большей части консультируем коллег в щекотливых вопросах. Мало того, иногда успеваем еще и организовать одно-два научно-популярных мероприятия или выступить на них.

И, конечно, раз в неделю все мы собираемся у круглого стола (он действительно круглый), чтобы поддержать друг друга в нелегкое время, обсудить текущие статьи и сформулировать темы для новых, да и просто поделиться свежими новостями из мира поведенческой генетики.

Литература:

1. Слово о генетике поведения // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/slovo-o-genetike-povedeniia
2. Тонкие нити судьбы // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/tonkie-niti-sudby
3. Фишман Р. Ученые обнаружили молекулярный механизм возникновения шизофрении. 2016 // N+1. https://nplus1.ru/news/2016/01/29/schizogene
4. В тюрьму за гены // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/v-tiurmu-za-geny
5. Молекулярные маркеры самоубийства // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/molekuliarnye-markery-samoubiistva
6. «Гены управляют поведением, а поведение — генами» // Элементы. http://elementy.ru/novosti_nauki/430913/Geny_upravlyayut_povedeniem_a_povedenie_genami
7. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах? // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/epigenetika-povedeniia-kak-babushkin-opyt-otrazhaetsia-na-vashikh-genakh
8. Эпигенетика: невидимый командир генома // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/epigenetika-nevidimyi-komandir-genoma
9. Политика — это у нас в крови! // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/politika-eto-u-nas-v-krovi
10. «За экстракорпоральное оплодотворение» — это не тост, а Нобелевская премия! // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/za-ekstrakorporalnoe-oplodotvorenie-eto-ne-tost-a-nobelevskaia-premiia
11. Дети из пробирки // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/deti-iz-probirki
12. Kovas Y., Garon-Carrier G., Boivin M., Petrill S.A., Plomin R., Malykh S.B. et al. Why children differ in motivation to learn: Insights from over 13,000 twins from 6 countries // Pers. Individ. Dif. 2015. 80, 51–63
13. Rodic M., Zhou X., Tikhomirova T., Wei W., Malykh S., Ismatulina V. et al. Cross‐cultural investigation into cognitive underpinnings of individual differences in early arithmetic // Dev. Sci. 2015. 18, 165–174
14. Голуби умеют считать наравне с приматами // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/golubi-umeiut-schitat-naravne-s-primatami
15. Числовая ось у цыплят такая же, как у людей // Биомолекула. https://biomolecula.ru/articles/chislovaia-os-u-tsypliat-takaia-zhe-kak-u-liudei
16. Kovas Y., Voronin I., Kaydalov A., Malykh S.B., Dale P.S., Plomin R. Literacy and numeracy are more heritable than intelligence in primary school // Psychol. Sci. 2013. 24, 2048–2056.

Статья написана при участии Александра Фенина.

Источник: Биомолекула