Хаос, що будує око: як нейрони сітківки знаходять своє місце + test

Зміст

• Нейрони народжуються далеко від місця роботи
• Риба, крізь яку все видно
• Мікроскоп – лише початок
• Порядок, народжений із безладу
• Орієнтуватися за сусідами
• Розворот, що звільняє місце
• Чому це важливо для медицини
• Головні висновки
• П’ять запитань: як ти знаходиш дорогу в творчому хаосі? (тест)

⇑Нейрони народжуються далеко від місця роботи

Більшість нейронів народжується далеко від свого кінцевого пункту призначення. Щоб сформувалася працююча нервова система, ці клітини мають пройти крізь тканину і після прибуття утворити робочі зв’язки. У сітківці та інших ділянках мозку, що розвиваються, є ще одне завдання: клітини повинні розташуватися в чітко відокремлені шари. Науковці називають цей процес нейрональною ламінацією.

Про те, як відбувається ламінація в сітківці, було напрочуд мало відомо. Більшість досліджень зосереджувалася на корі й вивчала переважно самі клітини, що мігрують, а не навколишню тканину. Проєкт makingtheretina, який фінансує Європейська дослідницька рада (ERC), поставив собі за мету це змінити й за шість з половиною років зробив вирішальний крок у розумінні того, як формується сітківка.

⇑Риба, крізь яку все видно

Проєкт працював із даніо-реріо, добре відомою модельною твариною, яка ідеально підходить для спостереження за ламінацією. Риба маленька й прозора, швидко розвивається, а її сітківка порівняно легкодоступна на тлі інших частин центральної нервової системи.

Ключовою технікою була тривала мікроскопія світлового листа (light-sheet). Вона освітлює одночасно лише одну тонку площину тканини, що достатньо дбайливо, аби ембріони залишалися здоровими протягом кількох днів. «Тривала мікроскопія світлового листа дала нам змогу спостерігати за міграцією клітин і ламінацією в ембріоні даніо-реріо в реальному часі», – каже головна дослідниця Карен Норден, раніше з Інституту молекулярної медицини Гульбенкяна, а нині з Кембриджського університету.

⇑Мікроскоп – лише початок

Спостереження за клітинами впродовж днів дає величезну кількість зображень, тому до біологів приєдналися фахівці з інформатики й теоретики. Разом вони поєднали експерименти з:

• програмним забезпеченням для автоматичного аналізу довгих записів,
• прогностичними інструментами машинного навчання,
• теоретичними моделями поведінки клітин,
• спеціальними інструментами, що вимірюють, як швидко й у якому напрямку рухаються клітини та як змінюється їхня форма.

«Спеціальні інструменти аналізу дали нам змогу простежувати рухи клітин у часі та отримувати швидкості, напрямки й зміни форми, що виявило різні стратегії, які використовують різні типи нейронів сітківки», – пояснює Норден. Прогностичні інструменти й теоретичні моделі допомагали команді висувати гіпотези про те, що керує рухами, перевіряти їх і вдосконалювати в повторюваних циклах.

⇑Порядок, народжений із безладу

Те, що команда побачила спочатку, виглядало як хаотичний нейрональний «рух транспорту». Проте за цим стояв вишуканий динамічний контроль. «Наші дослідження показали, що точна структура тканини виникає з напрочуд безладної поведінки. Різні типи клітин рухаються одночасно, використовуючи різні стратегії, і часто розминаються, щоб дістатися свого кінцевого місця», – каже Норден.

Іншими словами, єдиної охайної черги немає. Кілька типів нейронів рухаються в один і той самий момент, кожен своїм способом, а точні шари з’являються лише як сума всіх цих подорожей.

⇑Орієнтуватися за сусідами

Горизонтальні клітини – хороший приклад. Вони не йшли за незмінними шляхами. Натомість кожна клітина обрала власний непередбачуваний маршрут. Дослідники спершу очікували, що їх спрямовуватиме фізична структура тканини, але цього не сталося.

Горизонтальні клітини вели непрямі клітинні комунікації – хімічні сигнали від сусідніх клітин. Це трохи схоже на те, як у новому місті ти знаходиш дорогу, придивляючись і прислухаючись до людей навколо, а не йдучи за лінією, намальованою на тротуарі.

⇑Розворот, що звільняє місце

Найнесподіваніше відкриття стосувалося фоторецепторів. «Найпоказовіше те, що частина нейрональних рухів слугує захисту дозрівання тканини. Фоторецептори рухалися туди й назад, роблячи розворот, щоб тимчасово звільнити простір, де вони згодом оселяться, аби сусідні клітини-попередники могли завершити поділ», – додає Норден.

Отже, рух, який виглядає помилкою – віддалитися від свого майбутнього місця, а потім повернутися, – виявляється доцільним: він дає сусідам простір, щоб завершити свою роботу. Таку саму поведінку «звільнення місця» спостерігали й в органоїдах сітківки людини, що вказує на збережену біологічну стратегію.

⇑Чому це важливо для медицини

Проєкт показав, що тканинна структура сітківки, яка розвивається, і клітини, що рухаються, постійно формують одна одну, тоді як тканина, що утворюється, залишається захищеною. Разючі аспекти цього спостерігали в органоїдах сітківки людини, і вони можуть бути присутні й в інших ділянках мозку.

Майбутні дослідження вивчатимуть молекулярні механізми, що стоять за подорожжю кожної клітини, і те, наскільки стійка нейрональна ламінація, зокрема генетичний зв’язок із конкретними хімічними й механічними сигналами при порушеннях нейрональної міграції. Саме тут криється медична ставка. «Неправильне розташування нейронів лежить в основі таких станів, як епілепсія та інтелектуальна недостатність. З’ясовуючи, як нейрони знаходять правильні позиції в сітківці даніо-реріо, ми будуємо розуміння, потрібне для вивчення того, що йде не так при неврологічних і нейророзвиткових розладах», – підсумовує Норден.

⇑Головні висновки

Проєкт makingtheretina показує, що точна структура може вирости з того, що виглядає як безлад. Нейрони сітківки даніо-реріо, що розвивається, рухаються одночасно, використовують різні стратегії, слідують за хімічними сигналами від сусідів, а подекуди навіть повертаються назад, щоб звільнити місце іншим. Дослідження на модельних організмах і надалі відіграють важливу роль у розумінні того, як тканини й органи розвиваються в здоров’ї та хворобі, а поєднання експериментів з обчислювальними й теоретичними інструментами суттєво поглиблює це розуміння.

⇑П’ять запитань: як ти знаходиш дорогу в творчому хаосі? (тест)