Porządek wśród pozornego nieporządku w rozwijającej się siatkówce
Większość neuronów powstaje z dala od miejsc, do których ostatecznie trafiają. Aby zbudować funkcjonujący układ nerwowy, komórki nerwowe przemieszczają się przez tkanki, a po dotarciu na miejsce wytwarzają funkcjonalne połączenia. W siatkówce i innych rozwijających się obszarach mózgu wiąże się to z układaniem w odrębne warstwy – proces ten nazywamy laminacją neuronową. Dotychczas niewiele wiedzieliśmy na temat przebiegu tego procesu w siatkówce oka. Większość badań skupiała się na korze mózgowej, a badacze analizowali przede wszystkim same migrujące komórki, nie zaś otaczającą je tkankę. Ambitny projekt makingtheretina, zrealizowany dzięki dofinansowaniu ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, zaowocował przełomem w zrozumieniu procesu powstawania siatkówki. W ciągu trwającego sześć i pół roku projektu badacze zastosowali zaawansowane techniki obrazowania i narzędzia interdyscyplinarne w celu ujawnienia procesu dynamicznej kontroli laminacji neuronalnej, który odbywa się pomimo pozornie chaotycznego przemieszczania się neuronów.
Długotrwałe obrazowanie siatkówki danio pręgowanego
Danio pręgowany jest popularnym modelem zwierzęcym, który doskonale sprawdza się w tego rodzaju obserwacjach. To przezroczysta i niewielka ryba, która szybko dojrzewa, a jego siatkówka jest stosunkowo łatwo dostępna w porównaniu z innymi obszarami ośrodkowego układu nerwowego. „Długotrwałe badania przy pomocy mikroskopii świetlnej umożliwiły nam obserwację migracji i laminacji komórek w zarodku danio pręgowanego”, wyjaśnia Caren Norden, główna badaczka i była pracownica Instytutu Medycyny Molekularnej im. Gulbenkiana(odnośnik otworzy się w nowym oknie), obecnie zatrudniona na Uniwersytecie w Cambridge. Zastosowanie tej techniki pozwala na delikatne oświetlanie pojedynczych cienkich warstw tkanek, dzięki czemu zarodki są zdrowe przez wiele dni. Doświadczenia dopełniły analizy teoretyczne i modele komputerowe oparte na oprogramowaniu do automatycznej analizy danych oraz algorytmach uczenia maszynowego służących do prognozowania, a także teoretycznych modelach zachowań komórek. „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 Norden. Narzędzia predykcyjne i modele teoretyczne umożliwiły iteracyjne formułowanie hipotez i badanie czynników wpływających na ruchy.
Porządek wśród chaotycznych ruchów komórek
„W ramach badań wykazaliśmy, że precyzyjna struktura tkanki wyłania się spośród zaskakująco chaotycznych ruchów. Różne rodzaje komórek poruszają się jednocześnie, stosując różne strategie, często mijając się nawzajem, aby dotrzeć do swoich docelowych lokalizacji”, mówi Norden. Komórki poziome kierowały się nieprzewidywalnymi trasami, nie zaś ustalonymi szlakami. Za nawigację odpowiadała pośrednia komunikacja międzykomórkowa oparta na sygnałach chemicznych przekazywanych przez sąsiednie komórki, a nie fizyczna struktura tkanki, jak zakładali badacze. „Wyjątkowe jest to, że niektóre ruchy neuronów służą ochronie dojrzewającej tkanki. Komórki fotoreceptorowe przemieszczały się tam i z powrotem, wykonując zakręt w kształcie litery U, aby tymczasowo oczyścić przestrzeń, do której miały trafić nieco później, by sąsiadujące komórki progenitorowe mogły dokończyć podział”, dodaje Norden. Podobny proces zajmowania przestrzeni zaobserwowano w organoidach(odnośnik otworzy się w nowym oknie) siatkówki ludzkiej, co wskazuje, że mamy do czynienia z utrwaloną strategią biologiczną.
Wpływ odkryć na zdrowie i leczenie chorób ludzi
Badania przeprowadzone w ramach projektu ujawniły sposób, w jaki struktura tkanki rozwijającej się siatkówki i przemieszczające się komórki nieustannie wzajemnie na siebie oddziałują, chroniąc jednocześnie powstającą tkankę. Kluczowe aspekty tego zjawiska zaobserwowano także w organoidach ludzkiej siatkówki. Co więcej, badacze podejrzewają, że mogą one występować także w innych obszarach mózgu. W przyszłości badania poświęcone temu zagadnieniu skupią się na molekularnych mechanizmach wędrówki poszczególnych komórek oraz stabilności laminacji neuronów, w tym genetycznego związku z konkretnymi sygnałami chemicznymi i mechanicznymi w zaburzeniach migracji. Badania nad organizmami modelowymi nadal odgrywają istotną rolę w zrozumieniu rozwoju tkanek i narządów w zdrowym i chorym organizmie. Połączenie badań doświadczalnych z narzędziami obliczeniowymi i teoretycznymi pozwala na rozwój wiedzy. „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”, podsumowuje Norden.
