Око може бачити без паличок і колбочок
Біологи виявили, що втрата основних світлочутливих клітин не позбавляє гризунів зору. Залишившись без паличок і колбочок, миші продовжили бачити.
Дослідження вчених з університету Джона Хопкінса опубліковано в журналі Neuron. Для того, щоб з`ясувати, як же миші можуть бачити без основних типів світлочутливих клітин і навіть просто для того, щоб виявити сам цей факт, фахівцям довелося застосувати комбінацію з найсучасніших і складних методів дослідження.
сліпі мутанти
Перш за все вченим потрібно отримати миша, яка була б не просто сліпий, а у якій би не працювали палички і колбочки. Нагадаємо, що палички сприймають яскравість і мають велику чутливість, а колбочки поділяють кольору, але зате вимагають більше світла, ці два типи клітин використовують різні типи родопсину - речовин, що реагують на світло.
Миші, сліпота яких була б зумовлена іншими причинами, які не годілісь- і єдиним способом отримати необхідних тварин була генна інженерія. Видалення генів Gnat1 і Gnat3, що кодують особливі ферменти, пов`язані з роботою родопсина, дало необхідний ефект-й це була лише мала частина роботи.
Схема сітківки ока. Це не просто світлочутлива поверхня - поверх паличок і колбочок (співвідношення між ними на малюнку спотворено, реально розрізняють кольори колб в десять разів менше паличок) розташовано декілька шарів нервових клітин.
Перевірка, перевірка і ще раз перевірка
Але миші, у яких методами генної інженерії вивели з ладу палички і колбочки, все-таки щось бачили. Відразу виникає питання: де гарантія того, що фахівці з генної інженерії зробили свою роботу саме так, як було заявлено? А може, мишей зовсім переплутали, привезли в лабораторію якихось інших тварин? Або, може, у молекулярних біологів були невірні уявлення про те, що ж необхідно для роботи паличок і колбочок?
Щоб відповісти на всі ці питання (а їм присвячена велика частина оригінальної статті) біологи простежили зв`язок між нервовими клітинами і клітинами сітківки.
Зрозуміти, наскільки складною була ця задача, допоможе порівняння. Уявіть собі клубок з десятків тисяч ниток, до кінця кожної з яких прив`язані гудзики, і, до того ж, сам клубок залитий клеєм так, що розплутати його не можна. І все ж встановити, які пари ґудзиків пов`язані однією ніткой- завдання більш проста, ніж та, яку довелося вирішувати білологам, адже гудзики і нитки хоча б видно неозброєним оком!
різнобарвні "кущі" в нижній частині знімка - це т.зв. моховиті клітини, точніше їх відростки. Приголомшлива за своєю красою серія мікрофотографій мозку була отримана ще в 2007 році біологами з Гарвардського і Кмебріджского університетів, які зуміли створити трансгенну миша, кожен нейрон якої офарблювався в випадково обраний колір за рахунок комбінації трьох флуоресцентних білків.
На допомогу знову прийшла генна інженерія. Дослідники спеціально замовили відразу кілька ліній лабораторних мишей, включаючи мишей лінії Brainbow- кожна нервова клітина яких синтезувала свою комбінацію флуоресцентних білків і тим самим фарбувалася в свій колір. Це дозволило відстежити нервові зв`язки між сітківкою і мозком ... правда, знову з цілим рядом додаткових хитрувань.
генетичний конструктор
Отже, у вчених були «теоретично сліпі» миші з непрацездатними паличками і колбочками. Біологи в серії поведінкових тестів (наприклад, в простих Y-образних лабіринтах) переконалися що ці миші все-таки бачать, і на наступному етапі досліджень треба було показати, чим саме бачать миші. Для цього потрібно простежити за нервовими зв`язками.
У розпорядженні вчених є мікроскоп і ще одна серія мутантних тварин, кожна клітина мозку яких (а також клітини сітківки) самі фарбуються в потрібний колір. Що робити? Витягувати мозок з сітківкою і зоровим нервом, класти під мікроскоп і простежувати окремі нерви? Цей підхід не спрацює: аналогія з заклеєним мотком ниток не випадкова, побачити щось в щільній структурі нервової тканини не вийде.
Структура білка, необхідного для роботи паличок і колбочок. Тривимірна реконструкція.
Для вирішення описаної головоломки знову стала в нагоді генна інженерія. Комбінуючи властивості декількох ліній трансгенних тварин, вдалося створити миша, клітини Коротя фарбуються в потрібний колір вибірково - тобто фарбується не всі нейрони поспіль, а тільки ті, які розташовані в сітківці і, більш того, дійсно реагують на світло. Мішанина з десятків тисяч волокон перетворюється в набагато більш просту структуру і ось її-то можна вивчати під мікроскопом.
підтвердження здогади
Описавши технічні проблеми, що стояли перед вченими і методи їх вирішення, можна перейти і до викладу розгадки - як же саме миші без паличок і колбочок бачили намальовані на стінах лабіринту фігури.
Як вдалося встановити після ретельного вивчення зв`язків між клітинами (а заодно і електрофізіологічне перевірки, дослідники змогли зловити електричні імпульси клітин), роль паличок і колбочок частково беруть на себе світлочутливі клітини іншого типу.
Здатність клітин типу ipRGC, вони ж фоточутливі гангліозних клітини сітківки, сприймати світло була відкрита в 1990-х роках, але із зором тоді це не зв`язали, вирішивши, що їх число дуже вже мало для повноцінної участі у формуванні картинки. Роль цих клітин зводили до загальної реакції на світло на рівні циклів сну і бодрствованія- і, як з`ясувалося зараз, абсолютно даремно.
Детальне дослідження декількох підтипів цих клітин досить переконливо свідчить на користь того, що вони можуть формувати нехай дуже низької якості, але все-таки зображення. ТАк що, якщо палички з колбами не працюють, то це ще не означає сліпоту.
виправдана жорстокість
На завершення розповіді варто згадати одну деталь, яка зазвичай не афішується вченими, а у деяких далеких від науки людей викликає вкрай неоднозначні емоції. У розділі «Методи», який є в кожній науковій статті, згадується, що на певному етапі, коли потрібно показати, що обрана вченими система клітинних міток дійсно працює, мишей засліплювали остаточно. Під загальним наркозом гризунам видалили очі, після чого ще три тижні жовтня жили наосліп, через три тижні засліплення ніяких позначок їх нейрони вже не містили.
Жорстоко? Згідно з прийнятими нормам- так, такі досліди ніхто не дасть робити просто так, на них потрібен спеціальний дозвіл, що видається лише при обгрунтуванні здійснюються маніпуляцій. І обгрунтування в даному випадку було досить вагомим: певна кількість засліплених мишей дозволило довести те, що вся складна і копітка робота пророблена коректно, її результати заслуговують на увагу. У тому числі і уваги лікарів, які шукають способи подолання сліпоти.
Опіки і переломи
Інший приклад жорстких експериментів: вивчення впливу самотності на швидкість одужання після опіків і перевірка ефективності стовбурових клітин в лікуванні переломів. Переломи та опіки у щурів для цього довелося спочатку Створити- природно, знову під наркозом.
За словами Самер Хаттар, одного з провели серію експериментів вчених, зараз є надія на те, що хоча б мала частина практично сліпих людей зможе розвинути здатність використовувати свої ipRGC-клітини. Для найпростіших дій, де не потрібна висока гострота зору, цього могло б бути достатньо.
