Онтогенез. От клетки до человека

Примером реакции, основанной на оценке относительных концентраций сигнальных молекул-репеллентов и плавно подводящих нейроны к цели, может служить установление связи между глазами и мозгом. В глазу взрослого человека изображение проецируется на сетчатку – изогнутый «экран», выстилающий глазное яблоко сзади. Сетчатка содержит светочувствительные клетки – напряжение на их мембранах меняется в зависимости от яркости падающего на них света. Светочувствительные клетки соединены с залегающими в непосредственной близости нейронами, которые выполняют локальную обработку сигналов перед передачей их в мозг. У каждого из этих нейронов есть аксон, идущий прямо в мозг. Многие из них идут в ту часть мозга, которая у млекопитающих называется верхним двухолмием.[234] Аксоны ганглиозных клеток сетчатки идут параллельно друг другу в виде толстого «кабеля» – зрительного нерва, но на подходе к верхнему двухолмию они расходятся и подключаются к нему очень необычным образом. Место в верхнем двухолмии, к которому подключается аксон, точно соответствует положению на сетчатке ганглиозной клетки, от которой он отходит. По сути, структура верхнего двухолмия точно повторяет расположение ганглиозных клеток на сетчатке, поэтому на нем отображается – в виде сигналов электрической активности – точная копия оптического изображения сетчатки.

В нанесении «карты» сетчатки на верхнее двухолмие при эмбриональном развитии участвуют несколько механизмов. Сначала наносятся общие контуры, а затем «карта» постепенно прорабатывается и становится очень точной. Один мощный механизм основан на взаимодействии молекул-репеллентов на поверхности клеток верхнего двухолмия с рецепторами конуса роста, которые при обнаружении таких молекул вызывают локальное разрушение лидирующего края.[235] Производство молекул-репеллентов клетками двухолмия неравномерно. Их очень много в той его части, которая должна в конечном итоге соединиться с аксонами носовой (то есть ближайшей к носу) стороны глаза. По мере удаления от этой части клетки двухолмия синтезируют все меньше таких молекул, а в той части, которая должна в конечном итоге соединиться с аксонами ближайшей к уху (височной)[236] стороны сетчатки, их совсем мало. Неравномерно и производство рецепторов конусами роста ганглиозных клеток сетчатки: конусы роста аксонов клеток носовой стороны образуют очень мало рецепторов, но по мере удаления от нее их количество неуклонно растет, и конусы роста на височной стороне глаза производят гораздо больше рецепторов. Конусы роста аксонов клеток на височной стороне сетчатки будут активно избегать клеток верхнего двухолмия, которые содержат большое количество белка-репеллента. Поэтому они будут двигаться к краям верхнего двухолмия, где этого белка мало. Конусы роста аксонов клеток, расположенных ближе к середине глаза, тоже несут некоторое количество молекул рецептора, а значит, будут отклоняться от той части верхнего двухолмия, клетки которого синтезируют много молекул-репеллентов. Однако верхнее двухолмие имеет ограниченный размер, и аксоны, идущие от клеток середины сетчатки, не могут соревноваться с аксонами, идущими от височной стороны сетчатки (где образуется больше всего рецепторов), для подключения к той части, где молекул-репеллентов очень мало. В результате им приходится «довольствоваться» областями, где таких молекул не слишком много. Конусы роста на носовой стороне сетчатки имеют так мало рецепторов, что способны «вытерпеть» даже область верхнего двухолмия с очень высоким содержанием молекул-репеллентов. Благодаря такой «конкуренции» за возможность уйти подальше от молекул-репеллентов – а она тем сильнее, чем конусы роста чувствительнее, – конусы роста располагаются в двухолмии в том же порядке, в каком они покинули сетчатку (рис. 67).

Описанный выше механизм позволяет упорядочить конусы роста в соответствии с их положением на горизонтальной (нос – ухо) оси глаза. Похожая система, использующая другие пары рецепторов и молекул-репеллентов, организует конусы роста относительно вертикальной оси (лоб – щека), так что на верхнем двухолмии оказывается точная двумерная «карта» сетчатки. Вполне вероятно, что вдоль обеих осей действуют и другие, пока неизученные сигнальные системы, основанные не только на репеллентах, но и на аттрактантах, и они осуществляют тонкую доработку карты, нанесенной с помощью описанного выше механизма. Мы находимся в самом начале пути к пониманию этих процессов развития.

Механизм «подключения» конусов роста аксонов зрительного нерва к нужному месту в головном мозге, о котором я только что говорил, основан на локальных взаимодействиях. Однако не следует забывать, что, прежде чем конусы роста оказались в районе верхнего двухолмия, они уже проделали долгий путь от сетчатки к верхнему двухолмию. Этот путь тоже очень сложен и основан на множестве разнообразных «отпугивающих» и «привлекающих» сигналов.[237]