Цвет кажется нам естественным свойством окружающего мира. Но на самом деле цвет возникает только тогда, когда свет воспринимается колбочками сетчатки и затем интерпретируется головным мозгом.
Сразу несколько исследований последних лет позволили значительно глубже понять этот процесс — от формирования колбочек во время развития сетчатки до молекулярной структуры светочувствительных белков и даже экспериментального управления отдельными фоторецепторами.
Как формируются «красные» и «зеленые» колбочки
Исследователи Университета Джонса Хопкинса вырастили в лаборатории органоиды человеческой сетчатки и обнаружили важную роль ретиноевой кислоты — производного витамина А — в формировании разных типов колбочек.
На ранних стадиях развития уровень ретиноевой кислоты влияет на то, какой светочувствительный опсин будет экспрессировать клетка. Более высокая активность этого сигнального пути связана с формированием M-колбочек, чувствительных преимущественно к средним длинам волн, а снижение его активности способствует появлению L-колбочек, воспринимающих более длинноволновую часть спектра.
Это помогает объяснить, каким образом в развивающейся сетчатке создается уникальная для человека и других высших приматов система трихроматического зрения.
Ученые увидели молекулу цвета практически атом за атомом
Следующий уровень — сами колбочковые опсины.
Все они используют один и тот же светочувствительный хромофор — ретиналь, образующийся из витамина А. Но окружающая его структура белка немного различается, поэтому каждый опсин изменяет чувствительность молекулы к определенной части спектра.
Современные методы структурной биологии позволяют рассматривать эти различия почти на атомном уровне.
Это особенно важно для понимания наследственных заболеваний, при которых нарушается работа колбочек или их опсинов: различных форм цветовой слепоты и дистрофий колбочек.
А можно ли заставить глаз увидеть цвет, которого обычно не существует?
И здесь начинается, пожалуй, самая необычная часть истории.
Исследователи Калифорнийского университета разработали экспериментальную систему Oz, позволяющую избирательно стимулировать отдельные M-колбочки сетчатки.
При такой необычной стимуляции участники эксперимента воспринимали чрезвычайно насыщенный зелено-голубой цвет, получивший название olo.
Важно понимать: ученые не открыли новую длину волны света и не добавили человеку четвертый тип колбочек. Они создали неестественную комбинацию сигналов от существующих рецепторов, которая практически не возникает при обычном освещении.
Именно поэтому мозг формировал необычное цветовое ощущение.
Пока метод требует сложнейшей аппаратуры и относится исключительно к экспериментальной нейрофизиологии. Но принципиально важно другое: исследователи впервые получили возможность достаточно точно управлять активностью отдельных фоторецепторов.
По отдельности перед нами три фундаментальные научные работы.
Но если соединить их, возникает совершенно новая картина.
Сначала мы начинаем понимать, как формируется колбочка.
Затем — как устроена молекула, воспринимающая свет.
И наконец — получаем возможность избирательно управлять работой отдельных фоторецепторов.
Это уже переход от наблюдения за зрительной системой к попытке ею управлять.
Большую часть истории офтальмологии мы изучали уже сформировавшееся нарушение: человек не различает определенные цвета — значит, существует дефект цветового зрения.
Сегодня вопрос меняется.
Мы начинаем спрашивать:
Почему именно эта клетка стала такой? Какой молекулярный механизм определяет ее функцию? И можно ли изменить сигнал, который она передает мозгу?
Именно такой переход — от симптома к клетке и далее к молекуле — создает предпосылки для принципиально новых методов терапии.
Сегодня эти исследования не являются способом лечения дальтонизма и тем более не позволяют человеку по желанию расширить диапазон цветового зрения.
Но они дают инструменты, с помощью которых в будущем можно будет значительно точнее изучать врожденные нарушения цветового восприятия, моделировать заболевания сетчатки, разрабатывать генную и клеточную терапию и, возможно, компенсировать отдельные дефекты работы фоторецепторов.
Особенно важны в этом отношении органоиды сетчатки — они позволяют изучать развитие человеческих фоторецепторов непосредственно в лаборатории.
Для меня особенно интересно, насколько быстро современная офтальмология становится частью нейронауки.
Колбочка сама по себе не создает цвет.
Она только преобразует свет в электрический сигнал.
Цвет в конечном итоге создает головной мозг.
И эксперимент с новым цветовым ощущением очень красиво это демонстрирует: исследователи изменили не окружающий мир, а комбинацию сигналов, поступающих от сетчатки, — и мозг создал качество восприятия, которого человек раньше никогда не испытывал.
«Мне кажется, эти три исследования вместе показывают направление развития офтальмологии значительно лучше, чем каждое по отдельности. Мы уже понимаем, как формируются разные типы колбочек, начинаем видеть молекулярную структуру опсинов практически на атомном уровне и впервые получаем возможность программируемо воздействовать на отдельные фоторецепторы. Это означает переход от изучения зрения к управлению зрительной информацией. Пока это фундаментальная наука, но именно из таких работ рождаются будущие методы лечения наследственных заболеваний сетчатки и нарушений цветового зрения. И самое интересное здесь заключается в том, что мы все глубже понимаем: глаз воспринимает свет, а видит — мозг.»
Профессор В.В. Куренков