Вблизи развивающаяся сетчатка похожа на переполненный вокзал: нервные клетки отправляются в путь одновременно, расходятся, возвращаются и выбирают неожиданные маршруты. И всё же в итоге получается точно слоистая ткань. Шесть с половиной лет команда Карен Норден (Caren Norden) наблюдала за этим процессом в прозрачных эмбрионах рыбки данио-рерио и выяснила, что нейроны ориентируются на сигналы соседей, а некоторые их движения защищают созревающую ткань, – а в конце ты можешь проверить, как находишь дорогу в творческом хаосе.
Большинство нейронов рождается далеко от конечного пункта назначения. Чтобы сформировалась работающая нервная система, эти клетки должны пройти сквозь ткань и по прибытии образовать рабочие связи. В сетчатке и других развивающихся областях мозга есть ещё одна задача: клетки должны выстроиться в чётко разделённые слои. Учёные называют этот процесс нейрональной ламинацией.
О том, как происходит ламинация в сетчатке, было известно удивительно мало. Большинство исследований сосредоточивалось на коре и изучало в основном сами мигрирующие клетки, а не окружающую их ткань. Проект makingtheretina, финансируемый Европейским исследовательским советом (ERC), поставил цель это изменить и за шесть с половиной лет совершил решающий шаг в понимании того, как формируется сетчатка.
В проекте работали с данио-рерио – хорошо изученным модельным животным, идеальным для наблюдения за ламинацией. Рыбка маленькая и прозрачная, быстро развивается, а её сетчатка сравнительно доступна по сравнению с другими частями центральной нервной системы.
Ключевой методикой стала длительная микроскопия светового листа (light-sheet). Она освещает за один раз лишь тонкий слой ткани, что настолько бережно, что эмбрионы остаются здоровыми в течение нескольких дней. «Длительная микроскопия светового листа позволила нам наблюдать за миграцией клеток и ламинацией в эмбрионе данио-рерио прямо в ходе процесса», – говорит руководитель проекта Карен Норден, ранее работавшая в Институте молекулярной медицины Гульбенкяна, а теперь в Кембриджском университете.
Наблюдение за клетками в течение нескольких дней даёт огромное количество изображений, поэтому к биологам присоединились специалисты по информатике и теоретики. Вместе они объединили эксперименты с:
«Специально созданные инструменты анализа позволили нам отслеживать движения клеток во времени и получать скорости, направления и изменения формы, что выявило разные стратегии, которые используют разные типы нейронов сетчатки», – объясняет Норден. Прогностические инструменты и теоретические модели помогали команде выдвигать гипотезы о том, что управляет движениями, проверять их и уточнять в повторяющихся циклах.
То, что команда увидела сначала, выглядело как хаотичное нейрональное «движение транспорта». Однако под этим скрывался изысканный динамический контроль. «Наши исследования показали, что точная структура ткани возникает из удивительно беспорядочного поведения. Разные типы клеток движутся одновременно, используя разные стратегии, и нередко расходятся друг с другом, чтобы добраться до своих конечных мест», – говорит Норден.
Иными словами, единой аккуратной очереди нет. Несколько типов нейронов движутся в один и тот же момент, каждый своим способом, а точные слои возникают лишь как сумма всех этих путешествий.
Хороший пример – горизонтальные клетки. Они не следовали по фиксированным путям. Напротив, каждая клетка выбрала собственный непредсказуемый маршрут. Исследователи изначально ожидали, что их будет направлять физическая структура ткани, но этого не произошло.
Горизонтальные клетки направляла непрямая клеточная коммуникация – химические сигналы от соседних клеток. Это немного похоже на то, как в новом городе ты находишь дорогу, наблюдая за людьми вокруг и прислушиваясь к ним, а не следуя за линией, нарисованной на тротуаре.
Самая неожиданная находка касалась фоторецепторов. «Самое поразительное то, что некоторые движения нейронов служат защите созревания ткани. Фоторецепторы двигались туда и обратно, совершая разворот, чтобы временно освободить пространство, где они позже расположатся, и соседние клетки-предшественники смогли завершить деление», – добавляет Норден.
Итак, движение, которое выглядит ошибкой – удалиться от своего будущего места, а затем вернуться, – оказывается целесообразным: оно даёт соседям пространство, чтобы закончить свою работу. Такое же поведение «освобождения места» наблюдалось и в органоидах сетчатки человека, что говорит о сохранившейся биологической стратегии.
Проект показал, что тканевая структура развивающейся сетчатки и движущиеся клетки постоянно формируют друг друга, а образующаяся ткань остаётся защищённой. Яркие стороны этого процесса наблюдались в органоидах сетчатки человека и, возможно, присутствуют и в других областях мозга.
Будущие исследования будут изучать молекулярные механизмы, стоящие за путём каждой клетки, и то, насколько устойчива нейрональная ламинация, включая генетическую связь с конкретными химическими и механическими сигналами при нарушениях нейрональной миграции. Именно здесь кроются медицинские ставки. «Неправильное положение нейронов лежит в основе таких состояний, как эпилепсия и интеллектуальные нарушения. Выясняя, как нейроны находят верные позиции в сетчатке данио-рерио, мы формируем понимание, необходимое для изучения того, что идёт не так при неврологических и нервно-психических расстройствах развития», – заключает Норден.
Проект makingtheretina показывает, что точная структура может вырасти из того, что выглядит как беспорядок. Нейроны в развивающейся сетчатке данио-рерио движутся одновременно, используют разные стратегии, следуют химическим сигналам соседей, а порой даже возвращаются назад, чтобы освободить место другим. Исследования на модельных организмах по-прежнему играют важнейшую роль в понимании того, как ткани и органы развиваются в здоровье и болезни, а сочетание экспериментов с вычислительными и теоретическими инструментами существенно углубляет это понимание.
5 вопросов · одна минута
English
Čeština
Deutsch
Español
Français
Magyar
Italiano
Polski
Português
Русский
Slovenčina
Türkçe
Українська
العربية
中文