Ретино-тектальная проекция в зрительной системе амфибий

Остановимся теперь на процессе развития, который не просто создает упорядоченность клеток на плоскости, но и производит однозначное отображение одной двумерной поверхности на другую, — на процессе, который привлекал внимание ряда весьма компетентных и наделенных богатым воображением исследователей и о котором, следовательно, имеется очень много интересных данных. Этот процесс состоит в объединении зрительных волокон, идущих от ганглиозных клеток сетчатки, в единый арительный нерв, который проходит к контрлатеральному зрительному тектуму, где зрительные волокна устанавливают строго упорядоченные связи с нейронами тектума. Главный вопрос, интересующий исследователей этого явления, состоит в следующем: каким образом волокна сетчатки, образующие зрительный нерв, находят топографически правильные позиции в зрительном тектуме и устанавливают здесь функциональные связи, так что световое раздражение данной области сетчатки приводит к возбуждению нейронов в определенных областях тектума. Топография. этих связей была изучена самыми разнообразными методами, включая операции на сетчатке, на тектуме или на обеих структурах с последующим поведенческим, гистологическим и электрофизиологическим анализом. Кусочки сетчатки или тектума можно удалять, поворачивать, соединять с кусочками

других сетчаток, зрительный нерв можно заставить достигать тектума другим путем или направить к ипсилатеральному тектуму; можно разными способами комбинировать эти методы. Образующуюся при наличии таких воздействий проекцию нейронов сетчатки на тектум регистрируют тем или иным способом (лучше всего для этого подходит электрофизиологическая регистрация ответов поверхности зрительных бугров на стимуляцию сетчатки световым пятном), а затем анализируют любые значительные отклонения от нормальной картины. Ранние работы Стоуна (Stone, 1948) и Зекели (Szekely, 1957) по изучению последствий хирургического вмешательства и анализ поведения животного показали, что поворот глаза в эмбриональном периоде позже стадии 36 у Ambystoma или стадии 22 у Triturus приводит к эквивалентному повороту зрительного поля. Таким образом, если левый глаз на стадии эмбриона аксолотля повернут по часовой стрелке на 90°, то после метаморфозы взрослый аксолотль будет пытаться схватить муху или приманку прямо перед собой, в то время как она находится в поле зрения слева, и никогда не научится исправлять этот дефект поведения. Однако если поворот сделан в более раннем периоде развития, до стадии 34, взрослое животное ведет себя совершенно нормально. Далее исследования Зекели показали, что назо-темпораль-ная (передне-задняя) ось глаза у Triturus устанавливается раньше дорсо-вентральной. Якобсон (Jacobson, 1968 а), определяя электрофизиологическими методами проекцию в тектуме у Xenopus, подтвердил эти данные: если поворот на 180° у эмбриона Xenopus сделан на стадии 30, то одна ось (назо-темпо-ральная) обращается, а другая остается без изменений. Это говорит нам о том, что оси в сетчатке устанавливаются или детерминируются в определенные периоды развития. Якобсон (Jacobson, 1968 b) обнаружил также корреляцию между этой фиксацией и прекращением репликации ДНК в центральной области сетчатки и предположил, что между лабильностью поля и клеточным циклом существует причинная связь того же рода, что и в эпидермисе насекомых. Поскольку на стадии фиксации осей сетчатка значительно меньше своего окончательного размера, а рост происходит путем добавления клеток к периферии (ресничному кружку), эксперименты с поворотами показывают, что после стадии 32 новые клетки сетчатки получают морфогенетическую информацию в соответствии с полем, детерминированным внутри сетчатки, а не в соответствии с осями тела. Возможно, сетчатка на этой стадии утрачивает свои связи с окружающими клетками и становится автономной. В динамическом процессе, связанном с распространяющейся волной, установление максимума градиента в клетках, добавленных к полю в результате роста, происходит естественно: максимум

градиента распространится во вновь добавленные клетки потому, что мембрана, которая распределяется между дочерними клетками, содержит морфоген, и непрерывная волновая активность сохраняется, продвигая максимум градиента в новые клетки. Такое поведение характерно также для модели полярного насоса, предложенной Уилби и Уэбстером (Wilby, Webster, 1970), но в случае, когда размерность пространства больше единицы, этот механизм перестает работать, поскольку нужно направленно накачивать различные вещества под прямым углом друг к другу в пределах одной и той же клетки.

Отсутствие способности к регуляции в системе зрения взрослой амфибии, впервые обнаруженное Сперри (Sperry, 1944), указывало на то, что имеется некий жесткий механизм, с помощью которого зрительные волокна соединяются с нейронами тектума после того, как оси в этих двух тканях фиксируются. Сперри (Sperry, 1951; 1955; 1963) предположил, что это достигается с помощью специфической комплементарной маркировки клеточной поверхности нейронов сетчатки и тектума согласно их положению в ткани, так что волокна сетчатки образуют функциональные соединения с соответствующими клетками зрительных бугров. Эта гипотеза была названа гипотезой «нейронной специфичности». Ее проверке посвящены многие работы, использующие электрофизиологические методы картирования ретино-тектальной проекции. Однако даже высокого разрешения этих методов по эмбриологическим нормам недостаточно — при уровне дискриминации, меньшем чем примерно 1000 клеток, метод не позволяет сделать никаких заключений о специфичности соединений клетки с клеткой. Эксперименты по вырезанию и повторной имплантации некоторых участков тектума, проведенные Левиным и Якобсоном (Levine, Jacobson, 1974), имеют, по-видимому, гораздо более высокую точность определения мишени волокон сетчатки, около 5 клеточных диаметров (Jacobson, 1975). Необходимо иметь в виду, что при достижении своего места назначения в тектуме зрительное волокно широко разветвляется и поэтому образует функциональный контакт со многими нейронами тектума. Кроме того, многие ганглионарные клетки в сетчатке с помощью своих волокон находятся в функциональном контакте со многими нейронами тектума. Данные, полученные в основном Гейзом с коллегами (Gaze, Jacobson, Szekely, 1963, 1965; Gaze, Keating, Straznicky, 1970; Gaze, Keating, 1972), решительно указывают на то, что взаимодействия между волокнами сетчатки и нейронами тектума не специфичны в том смысле, как это первоначально понимал Сперри. Специфичность этих взаимодействий такова, что достигается только относительная упорядоченность волокон по

двум осям тектума. Основные черты ретино-тектальной проекции представлены на рис. 6.5.

При воссоздании карты электрофизиологическими методами тектум условно разбивают на сеть маркированных участков и в один из них вводят электрод. Затем световое пятно двигают по сетчатке, локализуя его в пределах рамки, представляющей поле зрения; точка сетчатки, которая дает максимальный ответ на тектуме, регистрируется как соответствующий участок на карте. Поскольку тектальная поверхность в латеральной области вентрально изгибается, ввести электрод в латеральные точки очень трудно (электрод вводится в дорсальном направлении), так как обычно тектум открывается удалением дорсальной части черепа.

Рис. 6.5. Схема ретино-тектальной проекции Xenopus laevls.

Поэтому латеральные области, как правило, не картируются и часть поля зрения, соответствующая на карте латеральной части зрительных бугров, остается незаполненной. Поскольку на сетчатке вследствие свойств хрусталика формируется перевернутое изображение поля зрения, точки нижней его части приходятся на дорсальную часть сетчатки. Таким образом, как видно из рис. 6.5, при электрофизиологических исследованиях не картируется именно дорсальная часть сетчатки. Однако из экспериментов, в которых специальными методами картировалась латеральная часть тектума, следует, что возникающая проекция непрерывна. В литературе карты обычно представляют в виде проекции полей зрения на зрительные тек-тумы в соответствии с тем, как поставлен эксперимент. Однако на рис. 6.5 карта дается в виде соотношений между сетчаткой и тектумом, так как наибольший интерес для нас представляют эпигенетические зависимости между этими двумя тканями.

Интересно отметить, что направление стрелок а, b и с на сетчатке и тектуме, обозначающих оси, которые идут параллельно передне-задней оси эмбриона (у зародыша Xenopus глаза

расположены по бокам и бинокулярного перекрывания практически нет), противоположно направлению оси тела. Некоторые предположения по этому вопросу высказаны в работах Якобсона (Jacobson, 1959), выполненных на презумптивных церебральных областях нервной пластинки аксолотля. В этих работах показано, что зачаток глаза, соединенный с помощью презумптивной хиазмы, лежит впереди презумптивного зрительного тектума. Пейсмекерный центр, расположенный на стадии 14—15 в центральной части переднего участка нервной пластинки между презумптивным промежуточным и средним мозгом, может устанавливать в пределах этих областей, простирающихся в противоположных направлениях, противоположно направленные градиенты, поскольку зачатки сетчатки и тектума соединяются в контралатеральные пары. Эти оси не будут, однако, параллельны главной оси тела, их выравнивание могут осуществить только морфогенетические перемещения, сопровождающие развитие сетчатки и тектума из зачатков. Что касается другого направления, то определяется ли оно в обеих этих тканях одной и той же осью тела — точно не ясно, поскольку вторая ось в сетчатке первоначально дорсо-вентральная, в то время как в тектуме она медио-латеральная. Однако на изогнутой поверхности, которой является эмбрион, медио-лагеральная и дорсо-вентральная оси могут оказаться частью единой оси. Эта проблема может быть решена только в экспериментах по трансплантации сетчатки в ткани с различными медио-латеральными ориентациями с последующим выявлением образующегося направления оси.

У Xenopus laevis зрительный нерв взрослого животного состоит примерно из 50 000 волокон, идущих от ганглиозных клеток сетчатки и направляющихся после полного перекреста в области хиазмы к соответствующему числу нейронов и контралатеральном зрительном тектуме. Нервные волокна растут из сетчатки по направлению к вентральной поверхности таламуса, пересекают среднюю линию, образуя перекрест, а затем идут дорсально к соответствующему тектуму. Зрительные нервы расщепляются на медиальный и латеральный тракты непосредственно перед ростральной частью тектума, которые в свою очередь делятся на волокна, соответствующие определенным областям тектума. Таким образом, в зрительном нерве волокна уже рассортированы и разветвление происходит в соответствии с их местом назначения. Очевидно, эти волокна «очень хорошо знают, к чему они стремятся». Пересечение средней линии и образование хиазмы — очень интересная проблема направленного роста, а выяснение механизма расщепления на два пучка — еще более увлекательная задача, но я не буду рассматривать эти вопросы детально. Замечу только, что зрительный

нерв можно отклонить от его нормального курса и заставить расти к каудальной поверхности тектума по пути глазодвигательного нерва, но и после этого волокна картируются на тектуме в правильном топографическом порядке. Поэтому мы не можем считать нормальное ростральное проникновение волокон сетчатки в тектум важным фактором процесса картирования; мы не можем также использовать период развития как один из элементов картирования, так как оно происходит совершенно нормально и в случае перерезки зрительных нервов у взрослого животного, после чего наступает полноценная регенерация. Наконец следует обратить внимание на то, что зрительный нерв можно отклонить к ипсилатеральному зрительному бугру, и там тоже волокна будут проектироваться нормально, так что внутренней информации, позволяющей различать правое и левое, не существует. Это придает процессу пересечения нормальной хиазмы некую загадочность, но мы сейчас на нем останавливаться не будем и рассмотрим процесс картирования волокон сетчатки на поверхности зрительного тектума.