Rozwijająca się siatkówka przypomina z bliska zatłoczony dworzec: komórki nerwowe ruszają naraz, mijają się, zawracają i wybierają zaskakujące trasy. A jednak na końcu powstaje precyzyjnie ułożona tkanka. Zespół Caren Norden przez ponad sześć lat podglądał ten proces w przezroczystych zarodkach danio pręgowanego i odkrył, że neurony kierują się sygnałami od sąsiadów, a niektóre ich ruchy chronią dojrzewającą tkankę — a na końcu możesz sprawdzić, jak ty odnajdujesz się w twórczym chaosie.
Większość neuronów powstaje z dala od miejsca, w którym ostatecznie będzie działać. Zanim zaczną przetwarzać informacje, muszą tam dotrzeć i ułożyć się w odrębne warstwy. Ten proces nazywa się laminacją neuronalną i należy do podstawowych zjawisk neurobiologii rozwojowej.
Mimo to w siatkówce oka wiedziano o nim niewiele. Dotychczasowe badania skupiały się głównie na korze mózgowej i na samych wędrujących komórkach, a znacznie rzadziej na tkance, przez którą się przemieszczają. Tę lukę postanowił wypełnić projekt makingtheretina, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych i prowadzony przez sześć i pół roku.
Jako model badacze wybrali danio pręgowanego. To niewielka, przezroczysta ryba, która szybko dojrzewa, a jej siatkówka jest stosunkowo łatwo dostępna w porównaniu z innymi obszarami ośrodkowego układu nerwowego. Dzięki temu wędrówkę komórek można śledzić w żywym zarodku, bez zaglądania do wnętrza organizmu.
Pracami kierowała Caren Norden, obecnie związana z Uniwersytetem w Cambridge, a wcześniej z Instytutem Medycyny Molekularnej im. Gulbenkiana. Kluczowe okazały się długotrwałe obserwacje mikroskopowe. Technika ta delikatnie oświetla pojedyncze, cienkie warstwy tkanki, więc zarodki pozostają zdrowe przez wiele dni zdjęć. „Długotrwałe badania przy pomocy mikroskopii świetlnej umożliwiły nam obserwację migracji i laminacji komórek w zarodku danio pręgowanego” – mówi Norden.
Same nagrania nie wystarczyłyby, by zrozumieć, co dzieje się w tkance. Eksperymenty uzupełniono więc narzędziami obliczeniowymi i teoretycznymi. Zespół sięgnął między innymi po:
„Nowe narzędzia analityczne pozwoliły nam na obserwację ruchów komórek w czasie oraz określanie prędkości, kierunków i zmian kształtów, dzięki czemu odkryliśmy różne strategie związane z różnymi rodzajami neuronów występujących w siatkówce” – wyjaśnia badaczka.
Najważniejszy wniosek brzmi paradoksalnie. Zamiast równego marszu w wyznaczonym szyku naukowcy zobaczyli ruch przypominający tłum w godzinach szczytu. Różne rodzaje komórek przemieszczały się jednocześnie, każda według własnej strategii, często mijając się po drodze.
„W ramach badań wykazaliśmy, że precyzyjna struktura tkanki wyłania się spośród zaskakująco chaotycznych ruchów” – podkreśla Norden. Końcowy efekt jest uporządkowany, choć droga do niego wcale na to nie wskazuje.
Szczególnie ciekawie zachowywały się komórki poziome. Nie podążały ustalonymi szlakami, lecz nieprzewidywalnymi trasami. Jak to możliwe, że mimo to trafiały na miejsce?
Odpowiedzią okazała się pośrednia komunikacja między komórkami. Neurony orientowały się dzięki sygnałom chemicznym przekazywanym przez sąsiednie komórki, a nie dzięki fizycznej strukturze tkanki, jak wcześniej zakładano. Mapą nie była więc sama tkanka, tylko ciągła wymiana informacji w jej wnętrzu.
Zespół zauważył też coś, czego się nie spodziewał: niektóre ruchy neuronów służą ochronie dojrzewającej tkanki. Komórki fotoreceptorowe przemieszczały się tam i z powrotem, zataczając łuk w kształcie litery U. W ten sposób tymczasowo zwalniały przestrzeń, do której same miały trafić nieco później. Dzięki temu sąsiadujące komórki progenitorowe mogły spokojnie dokończyć podział.
To przykład swoistej uprzejmości na poziomie komórkowym: najpierw ustąpić miejsca, potem je zająć. Co ważne, podobny proces badacze zaobserwowali również w organoidach ludzkiej siatkówki. To sugeruje, że nie jest to wyłącznie rybia osobliwość.
Badanie pokazało, jak struktura tkanki i przemieszczające się komórki wzajemnie na siebie wpływają. Naukowcy podejrzewają, że podobne mechanizmy mogą działać także w innych obszarach mózgu. Dalsze prace mają dotyczyć molekularnych podstaw migracji neuronów i stabilności powstających warstw.
Stawka jest wysoka. „Nieprawidłowe rozmieszczenie neuronów leży u podstaw schorzeń takich jak padaczka czy zaburzenia intelektualne. Dzięki zrozumieniu procesu, który pozwala neuronom odnaleźć prawidłowe położenie w siatkówce danio pręgowanego, zdobywamy wiedzę niezbędną do zbadania przyczyn zaburzeń neurologicznych i neurorozwojowych” – mówi Norden.
Projekt makingtheretina pokazał, że rozwój siatkówki nie przypomina precyzyjnej choreografii, lecz pozorny chaos, z którego niezawodnie wyłania się porządek. Neurony korzystają z różnych strategii ruchu, orientują się dzięki sygnałom od sąsiadów, a fotoreceptory potrafią czasowo ustąpić miejsca dzielącym się komórkom. Połączenie mikroskopii, analizy danych i modeli teoretycznych pozwoliło zobaczyć ten proces w działaniu, a obserwacje na ludzkich organoidach sugerują, że wnioski wykraczają poza jeden gatunek ryby.
5 pytań · minuta
poleca:
