Механизм образования двумерной проекции

Предположим, что вдоль первичных осей сетчатки и тектума, а именно назотемпоральной и рострокаудальной соответственно, существуют дополнительные градиенты адгезивных маркеров и адгезивности; например градиенты связанного с мембраной морфогена вдоль этих осей (назовем эти морфогены и для сетчатки и тектума соответственно) могут индуцировать включение гликопротеидов или других маркеров в клеточные поверхности таким образом, что эти молекулы будут плавно распределены по сетчатке и тектуму. Предположим, что в тектуме максимум адгезивности приходится на ростральную часть, а в сетчатке максимум адгезивных маркеров (которые могут быть отличными от маркеров тектума) имеет место в темпоральной части. Будем считать далее, что волокна, вырастающие из нейронов сетчатки, несут эти маркеры в тех же самых относительных концентрациях, что и тела их нейронов. Такие монотонные распределения дадут одномерно упорядоченное соответствие между двумя поверхностями.

Как быть со вторыми осями сетчатки и тектума? Пусть вдоль них существуют градиенты других морфогенов, которые приводят к появлению спонтанной деполяризации мембран с некоторой частотой; эта деполяризация индуцирует конформационные изменения, в результате которых белки-маркеры на клеточной поверхности становятся гораздо менее доступными, чем в отсутствие деполяризации. В результате возникнут

колебания адгезивности волокон сетчатки с частотой, характерной для их местоположения вдоль дорсо-вентральной оси, и максимумом, скажем, в вентральной части сетчатки. Соответствующий градиент частоты будет существовать и вдоль медио-латеральной оси тектума, с максимумом в медиальной части. Эти свойства обеспечивают картирование волокон сетчатки на нейроны тектума и установление максимально устойчивых контактов в случае, когда два градиента правильно упорядочены друг относительно друга. Кроме того, как мы сейчас увидим, эта упорядоченность относительна, а не абсолютна.

Рассмотрим, что происходит, когда зрительный нерв у эмбриона или у взрослого животного при регенерации нерва тем или иным путем достигает тектума. Филоподии, распространяющиеся из конуса роста волокон сетчатки, исследуют поверхность тектума в радиусе 100 мкм или больше и образуют контакты с любыми доступными адгезивными участками. При этом филоподии спонтанно выбрасываются и втягиваются, так что волокна всегда стремятся двигаться в направлении, обеспечивающем образование наибольшего числа контактов между филопо-диями и нейронами тектума. Наибольшее число контактов образуется там, где волокна и тектальные нейроны имеют одинаковую частоту и фазу и где больше всего потенциальных адгезивных контактов. Фазовое соответствие возникает в результате спонтанных изменений сдвига фаз между клетками, происходящих до тех пор, пока фазы, а также и частоты не совпадут, что приведет к образованию максимального адгезивного контакта вдоль медио-латеральной оси тектума. Вдоль рострокаудальной оси отростки отталкивают друг друга, и филоподии, образуя и разрушая контакты с нейронами тектума, конкурируют за доступные адгезивные участки. Волокна с наивысшей плотностью участков стремятся установить самые прочные контакты с ростральными нейронами тектума, которые имеют наивысшую плотность комплементарных участков, замещая филоподии, образующие более слабые контакты. Волокна случайным образом блуждают вдоль обеих осей, распространяясь в результате по всей доступной им поверхности. Полученная таким образом проекция не является абсолютной, так как любое волокно сетчатки может образовать адгезивные соединения с любой областью тектума в ростро-каудальном направлении; вдоль медио-латеральной оси карта тоже относительна, поскольку некоторая адгезия, вообще говоря, возможна и без соответствия частот. Таким образом, между волокнами сетчатки имеют место конкурентные взаимодействия, а между нейронами тектума и волокнами сетчатки — кооперативные взаимодействия; это приводит к картированию всей доступной поверхности зрительного тектума. На существование такого относительного картирования

или процесса «установления соответствия» в зрительной системе указывает большое количество экспериментальных данных, убедительно представленных Гейзом и Китингом (Gaze, Keating, 1972). Описанная выше модель — лишь одна из реализаций целого класса механизмов, обеспечивающих проекцию с такими характеристиками. Конечно, приведенное описание чисто словесное и требует математического обоснования.

До сих пор мы игнорировали тот факт, что ретино-текталь-ная проекция имеет третье измерение — для достижения правильных мест назначения волокна сетчатки погружаются в тектум и упорядоченное ветвление происходит в глубине. Чтобы объяснить такое поведение, предположим, что после достижения частотного и фазового соответствия и образования устойчивых контактов с адгезивными маркерами на поверхности тектума конус роста, теперь относительно прочно закрепленный на поверхности тектума, начинает спонтанно исследовать третье измерение тектума. В результате установления устойчивых контактов на поверхности могут образовываться и щелевые контакты, так что волокна сетчатки и нейроны тектума вступают в динамическое взаимодействие. В конце концов функциональной задачей волокон сетчатки будет передача пачек потенциалов действия к нейронам тектума в ответ на сенсорную стимуляцию сетчатки, поэтому между волокнами сетчатки и нейронами тектума должен быть установлен функциональный контакт. Но, поскольку экспериментальных данных о природе глубинной организации тектума очень мало, мы не знаем, какие эпигенетические проблемы необходимо решить. Отметим лишь, что описанная модель имеет характеристики, удовлетворяющие общим требованиям процесса ретино-тектального картирования и к тому же предсказывающие специфически нейронные свойства системы, например появление частот спонтанной активности, которые используются в самом процессе картирования. Мне кажется, что эти частоты относительно низки по сравнению с частотой импульсации сформировавшихся нейронов (равной нескольким импульсам в секунду), поскольку в этом случае мы все еще имеем дело с процессами развития, включающими метаболические процессы. Они скорее попадают на временную шкалу событий, связанных с промежуточной памятью, и с точки зрения их связи с процессом картирования, который включает установление контактов между нейронами и образование функциональных синапсов, они вполне могут оказаться непосредственно связанными с такими процессами в сформировавшейся нервной системе, как поддержание целостности и специализация эмбриологических механизмов.

Модель, представленная здесь для описания двумерной организации в слое клеток, ни в коем случае не претендует на то.

чтобы полностью разрешить проблему ретино-тектального картирования, и еще меньше — проблему сортировки клеток в двух измерениях. Ее цель состоит в том, чтобы попытаться представить суть этих проблем и посмотреть, каким образом динамические (колебательные) режимы работы мембран могут служить альтернативой градиенту статической адгезии. Вопрос о специфичности адгезивных маркеров еще не рассматривался, хотя данные Бербера, Мэрчейза и Рота (Barbera, Marchase, Roth, 1973) дают основания думать, что на медиальном и латеральном концах тектума цыпленка имеются качественно различные адгезивные участки, а комплементарные им участки находятся на вентральных и дорсальных нейронах сетчатки. Аналогичных данных для мозга и глаза амфибий пока нет. Такая специфичность может быть результатом существования двойного градиента маркеров вдоль этих осей — ситуация, которая может возникнуть в результате действия одного исходного градиента морфогена, активирующего один из ферментов, используемых в синтезе поверхностного маркера, и ингибирующего другой. Двойной градиент специфических адгезивных участков такого рода тоже давал бы относительную, а не абсолютную карту (Prestige, Willshaw, 1975). Возвратившись несколько назад, к данным Бона (Bohn, 1974), Луоренса (Lawrence, 1974) и Нублер-Янга (Ntibler-Jung, 1974), которые исследовали движения клеток в эпидермисе насекомых, мы увидим, что этот процесс можно объяснить исходя из тех же принципов — образования филоподий и исследования возможности образования максимально устойчивых адгезивных контактов, как это происходит в процессе ретино-тектального картирования, с той лишь разницей, что здесь имеется одна популяция клеток.

Некоторые данные о чрезвычайно пластичном и динамичном характере карты тектума получены в недавних экспериментах Чанга и Кука (Chung, Cooke, 1975). Они изучали ретино-тек-тальные проекции, возникающие в результате поворотов на 180° презумптивных областей среднего мозга у эмбрионов Xenopus на стадиях 21—24 и 37, и получили данные, показывающие, что область в промежуточном мозге действует как организатор карты тектума, определяя ее полярность. Значение этого факта состоит в том, что вплоть до стадии 37 клетки тектума не приобретают фиксированных позиционных маркеров. Это соответствует или модели типа модели фазового сдвига, или рассмотренной выше волновой модели с модификацией, заключающейся в том, что пейсмекер расположен в ткани промежуточного мозга и продолжает оставаться активным до стадии 37. Исследования поворотов и трансплантации на ткани мозга взрослых животных (Yoon, 1973; Levine, Jacobson, 1974; Jacobson, Levine, 1975) дают неоднозначную картину способности дифференцированных

клеток мозга помнить их предыдущие позиции, так что вопрос о состоянии позиционных маркеров в зрелом мозге остается открытым. Очевидно, при подходе к этой проблеме нужна известная гибкость. Динамические модели, обсуждавшиеся выше, предусматривают переход от лабильного состояния к фиксированному на любой стадии развития.

В заключение я хотел бы рискнуть высказать предположение, что в ближайшие несколько лет биология развития станет свидетелем появления новых динамических моделей и экспериментальных данных, характерной чертой которых будут периодичности и волны. Представление о статических диффузионных градиентах, упорядочивающих пространственные зоны, служит биологам в течение многих лет, но такие модели просто не обладают гибкостью и динамической многосторонностью, необходимыми для описания морфогенеза и образования структур. Диапазон скоростей распространения волн активности в развивающихся организмах может быть очень широким в зависимости от того, являются ли затронутые при этом процессы главным образом электрохимическими, метаболическими или эпигенетическими. Здесь мы опять сталкиваемся с иерархией времен релаксации, которую изучали в первых двух главах книги, но теперь к временному измерению добавилось пространственное. Организм представляется нам как система, пространственная и временная упорядоченность которой возникает в результате распространения волн из определенных организующих центров, обладающая наряду с этим часами (локальными или глобальными), которые генерируют пространственные и временные периодичности. Эта динамическая картина влечет за собой замену несколько искусственной позиционной дихотомии информация/интерпретация более непрерывной моделью пространственно-временного развертывания с бифуркациями, являющимися частью упорядоченного возникновения структуры и формы. Вопрос о том, как это можно представить аналитически, рассмотрен в следующей главе,