Эктопические глаза функционируют без связи с мозгом: эксперименты с головастиками

Впервые учёные показали, что трансплантированные глаза, расположенные далеко за пределами головы у позвоночного животного, могут обеспечивать зрение без прямой нейронной связи с мозгом.

Биологи из Университета Тафтса использовали модель лягушки, чтобы пролить свет на один из ключевых вопросов в регенеративной медицине, биоинженерии и исследованиях по сенсорному усилению.

"Одна из больших проблем — понять, как мозг и тело адаптируются к значительным изменениям в организации", — говорит Дуглас Дж. Блэкистон, первый автор статьи в Journal of Experimental Biology от 27 февраля.

"Наше исследование показывает замечательную способность, или пластичность, мозга обрабатывать визуальные данные от смещённых глаз, даже когда они расположены далеко от головы", — добавляет Блэкистон, постдок в лаборатории соавтора Майкла Левина.

Левин отмечает: "Основная медицинская цель — однажды восстановить функцию повреждённых или отсутствующих сенсорных структур с помощью биологических или искусственных компонентов. Главный медицинский вывод этого исследования — нам, возможно, не нужно создавать специфические связи с мозгом при лечении сенсорных расстройств, таких как слепота".

Ход эксперимента

Команда хирургически удалила зачатки глаз у эмбрионов-доноров (помеченные флуоресцентными белками) и трансплантировала их в заднюю область эмбрионов-реципиентов. Это индуцировало рост эктопических глаз. Собственные глаза реципиентов были удалены, остались только эктопические.

Флуоресцентная микроскопия показала различные паттерны иннервации, но ни у одного животного не развились нервы, соединяющие эктопические глаза с мозгом или черепной областью.

Проверка зрения

Чтобы определить, передают ли эктопические глаза визуальную информацию, команда разработала компьютерную систему визуального обучения. В ней квадранты воды подсвечивались красными или синими светодиодами (LED), а в определённом квадранте головастикам подавался лёгкий электрический разряд. Система отслеживания движения с камерой и программой записывала движение и скорость головастиков.

Результаты: глаза "видят" без связи с мозгом

Были сделаны ключевые открытия:

• 19% животных с глазными нервами, соединёнными со спинным мозгом, продемонстрировали выученную реакцию на свет. Они уплывали от красного света, в то время как синий свет стимулировал естественное движение.
• Их реакция на свет не отличалась от реакции контрольной группы головастиков с естественными глазами.
• Этой реакции не было у головастиков без глаз или у тех, кто не получал электрический разряд.

"Этого никогда раньше не показывали. Никто бы не предположил, что глаза на боку головастика могут видеть, особенно когда они связаны только со спинным мозгом, а не с мозгом", — говорит Левин.

Выводы свидетельствуют о замечательной пластичности мозга, способного включать сигналы из различных областей тела в поведенческие программы, которые эволюционировали с конкретным и другим планом строения тела.

"Эктопические глаза выполняли зрительную функцию. Мозг распознал визуальные данные от глаз, воздействующих на спинной мозг", — говорит Блэкистон.

Будущие исследования

Один из самых интригующих вопросов для будущих исследований — как именно мозг понимает, что электрические сигналы от ткани возле кишечника следует интерпретировать как визуальные данные.

Левин, изучавший компьютерные науки и биологию, проводит аналогию с компьютерной инженерией: такая проблема обычно решается с помощью "заголовка" (header) — метаданных, указывающих источник и тип информации. Гипотеза, которую предстоит проверить: несут ли электрические сигналы от глаз, воздействующие на спинной мозг, такой идентификатор своего происхождения.