Celem tej metody jest zbadanie, w jaki sposób dopływ bodźców z siatkówki wpływa na wzrost i rozwój wzgórza optycznego, czyli centrum przetwarzania bodźców wzrokowych w mózgu danio pręgowanego. Poprzez usunięcie jednego oka i następujące po tym porównanie obu stron wzgórza optycznego, możliwe jest zaobserwowanie i znormalizowanie zmian w obrębie tego ośrodka u jednego osobnika, co umożliwia porównania między wieloma okazami. Nowoczesne podejścia molekularne w połączeniu z tą techniką pozwolą na uzyskanie wiedzy na temat mechanizmów leżących u podstaw wzrostu i rozwoju układu wzrokowego, a także degeneracji i regeneracji aksonów.
Układy sensoryczne – wzrok, słuch i somatosensoryka – zbierają informacje z organów zewnętrznych i przekazują je do ośrodkowego układu nerwowego, tworząc w śródmózgowiu „mapy” świata zewnętrznego1,2. Wzrok jest dominującą modalnością sensoryczną u niemal wszystkich kręgowców, w tym u wielu ryb. Siatkówka, będąca tkanką nerwową w oku, zbiera informacje za pomocą obwodu neuronalnego składającego się głównie z fotoreceptorów, komórek dwubiegunowych oraz komórek zwojowych siatkówki (RGCs), które są neuronami projekcyjnymi siatkówki. Komórki RGCs posiadają długie aksony, które prowadzą przez wewnętrzną powierzchnię siatkówki do główki nerwu wzrokowego, gdzie łączą się w pęczki i biegną wspólnie przez mózg, kończąc ostatecznie w ośrodku przetwarzania wizualnego w grzbietowej części śródmózgowia. Struktura ta u ryb i innych kręgowców niebędących ssakami nazywana jest tekton wzrokowym i jest homologiczna do wzgórka górnego u ssaków3.
Tectum opticum jest obustronnie symetryczną, wielowarstwową strukturą w grzbietowej części śródmózgowia. U rybek zebra oraz większości innych ryb każdy płat tectum opticum otrzymuje bodźce wzrokowe wyłącznie z oka przeciwległego, tak że lewy nerw wzrokowy kończy się w prawym płacie tectum, a prawy nerw wzrokowy w lewym płacie tectum4 (Rycina 1). Podobnie jak jego ssaczy odpowiednik – wzgórze górne – tectum opticum integruje informacje wzrokowe z innymi bodźcami sensorycznymi, w tym ze słuchu i somatosensacji, kontrolując zmiany uwagi wzrokowej oraz ruchy gałek ocznych, takie jak sakady1,5,6. Jednak w przeciwieństwie do ssaczego wzgórza górnego, tectum opticum nieustannie generuje nowe neurony i glej z wyspecjalizowanej niszy komórek macierzystych znajdującej się w pobliżu przyśrodkowej i guzowej krawędzi płatów tectum, zwanej strefą proliferacji tectum7. Utrzymanie proliferujących progenitorów w tectum opticum i innych obszarach ośrodkowego układu nerwowego przyczynia się częściowo do niezwykłej zdolności regeneracyjnej udokumentowanej u rybek zebra8.
Poprzednie prace badające mózgi ryb ślepych lub jedookich wykazały, że wielkość wzgórza optycznego jest bezpośrednio proporcjonalna do ilości otrzymywanej innowacji siatkówkowej9,10,11. U dorosłych ryb jaskiniowych, których oczy degenerują się we wczesnej embriogenezie, wzgórze optyczne jest wyraźnie mniejsze niż u blisko spokrewnionych, widzących ryb powierzchniowych9. Degeneracji oczu u ryb jaskiniowych można zapobiec, zastępując endogenny soczewkę soczewką z ryby powierzchniowej podczas embriogenezy. Gdy te jedooke ryby jaskiniowe osiągają wiek dorosły, zinnerwowany płat wzgórza zawiera około 10% więcej komórek niż płat niezinnerwowany9. Podobnie u larw ryb killifish, które inkubowano z zastosowaniem preparatów chemicznych w celu wygenerowania oczu o różnych rozmiarach u tego samego osobnika, strona wzgórza z większą ilością innowacji była większa i zawierała więcej neuronów10. Dowody z eksperymentów polegających na zmiażdżeniu nerwu wzrokowego u dorosłych złotych rybek wskazują, że innowacja promuje proliferację, a proliferacja komórek wzgórza zmniejsza się po przerwaniu innowacji11.
Potwierdzając i rozszerzając te klasyczne badania, kilka niedawnych raportów dostarcza danych sugerujących, że proliferacja w odpowiedzi na unerwienie jest modulowana, przynajmniej częściowo, przez szlak BDNF-TrkB12,13. Wiele pytań dotyczących wzrostu i rozwoju wzgórza optycznego pozostaje otwartych, w tym kwestie takie jak: w jaki sposób rozwijający się system sensoryczny radzi sobie z urazami i degeneracją aksonów, jakie sygnały komórkowe i molekularne umożliwiają regulację wzrostu wzgórza optycznego przez dopływ sygnałów z siatkówki, kiedy mechanizmy te stają się aktywne oraz czy związana z unerwieniem proliferacja i różnicowanie umożliwiają siatkówce i tkance docelowej koordynację tempa wzrostu i zapewnienie dokładnego mapowania retinotopowego. Ponadto istnieją znacznie szersze pytania dotyczące rozwoju zależnego od aktywności, które można rozpoznać, badając system wzrokowy rybek zebrafish za pomocą metod chirurgicznych, takich jak ta opisana poniżej.
Aby zbadać komórkowe i molekularne mechanizmy, poprzez które aktywność neuronalna, w szczególności wynikająca z bodźców wzrokowych, wpływa na przeżycie i proliferację komórek, opisane podejście bezpośrednio porównuje unerwione i odnerwione płaty tekta (Rysunek 1) w obrębie pojedynczych larw zebrafish. Metoda ta pozwala na udokumentowanie degeneracji aksonów RGC w tekcie optycznym oraz potwierdzenie, że liczba komórek mitotycznych koreluje z unerwieniem.

Rysunek 1: Szkice larw zebrafish przed i po jednostronnym usunięciu oka. (A) Rysunek larwy w 5 dpf widzianej pod mikroskopem stereologicznym. Każda larwa jest zatopiona w agarozie o niskiej temperaturze topnienia i zorientowana bokiem, przed użyciem igły wolframowej z ostrym, zakrzywionym końcem do wybrania oka skierowanego ku górze (w tym przykładzie oka lewego). (B) Rysunek widoku grzbietowego larwy w 9 dpf po zabiegu przedstawionym w punkcie A. Przedstawiono jedynie trzy silnie uproszczone aksony RGC z prawego oka, które ulegają defasykulacji i łączą się z neuronami w lewym płacie tekta. Skróty: dpf = dni po zapłodnieniu; dps = dni po operacji; RGC = komórki zwojowe siatkówki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.