После войны Эймс завершил медицинское образование в Колумбийском университете и вернулся в Гарвард, чтобы попробовать себя на исследовательском поприще. Он не сразу занялся нейробиологией, а устроился стажером в лабораторию доктора Бэрда Хейстингса, заведующего кафедрой биологической химии в Гарвардской медицинской школе. Независимый мыслитель, Эймс решил найти способ изолировать нервную ткань для ее изучения. Проще говоря, он хотел вывести мозг за пределы черепной коробки, чтобы его легче было исследовать. Идея была радикальной, и доктор Хейстингс уверенно заявил, что ничего не выйдет, однако Эймс проанализировал метаболизм нейронов и не нашел в нем ничего такого, что помешало бы ему осуществить свою затею.
В те времена в нейробиологии доминировали клинические неврологи, которые были убеждены, что нейроны мозга – чрезвычайно нежны и уязвимы и могут нормально функционировать только в своей привычной среде внутри надежно защищающей их черепной коробки. У медиков были весомые основания так считать. Они знали, что нарушение питания мозга даже на несколько минут ведет к его необратимым повреждениям. При остановке сердца потеря сознания происходит через считаные секунды, и, если не восстановить кровообращение в течение следующих нескольких минут, мозг пациента (и, следовательно, сам пациент) умирает или впадает в вегетативное состояние.
Эймс заинтересовался метаболизмом мозга еще на Аляске. Нейроны действительно требуют очень много энергии – в этом они превосходят практически любую другую ткань организма. Мозг весом всего один – два килограмма потребляет около 20 % общих энергетических ресурсов нашего тела. Вот почему кровоснабжение мозга очень интенсивно; питание его тканей осуществляется через чрезвычайно разветвленную сеть капилляров. Питательные вещества от капилляров к нейронам и продукты клеточной жизнедеятельности в обратном направлении переносятся посредством пассивного транспорта (диффузии). Но диффузия хорошо работает только на очень коротких расстояниях, поэтому мозг опутан частой сетью тончайших капилляров. Студентов-медиков учат тому, что мозговой нейрон может находиться от капилляра на расстоянии не дальше 0,2 мм. Чтобы вам легче было представить: плотность капиллярной сети больше, чем у плетения ткани в обычной простыне.
Эймс задался вопросом, есть ли в нашей центральной нервной системе такое место, где нейроны можно изолировать от окружающих неневральных клеток. В конце концов он нашел такое место – сетчатка. Неспециалисты редко знают о том, что центральная нервная система состоит не только из головного мозга, но и спинного мозга и сетчатки. Эти три структуры имеют сходное эмбриологическое происхождение и образованы из одинаковых видов нейронов и вспомогательных клеток. Все они защищены гематоэнцефалическим барьером – комплексным механизмом, который сохраняет внутри них особую химическую среду, обособленную от остального организма. Большинство нейронов сетчатки и спинного мозга являются полноценными нейронами. Взятые в отдельности нейроны сетчатки (кроме палочек и колбочек) даже для большинства нейробиологов неотличимы от нейронов, находящихся в других частях центральной нервной системы.
Но сетчатка сталкивается с одной проблемой, которой нет у других структур центральной нервной системы: ей нужно воспринимать свет. Если сетчатку пронизать обычной сетью артерий, вен и капилляров, эти сосуды и несомая ими кровь будут преграждать путь свету. В результате мы бы видели мир словно через плотную москитную сетку на окне. Однако эволюция нашла удачный способ решить эту проблему. Сетчатка представляет собой тонкий пласт клеток толщиной обычно не больше 0,3 мм. Благодаря этому бо́льшая его часть находится в пределах досягаемости для диффузии с одной стороны. Сетчатку пронизывает несколько кровеносных сосудов, которые обеспечивают питание самых дальних ее слоев, но основным источником питания служит густая сеть кровеносных сосудов, расположенная снаружи сетчатки в виде сосудистой оболочки.
Эймсу играло на руку и то, что у большинства млекопитающих сетчатка неплотно связана с этим нижележащим слоем и довольно легко от него отделяется. Вот почему отслойка сетчатки – распространенный риск при некоторых заболеваниях или травмах, таких как попадание в глаз хоккейной шайбы или теннисного мяча. Но сама отслаивающаяся сетчатка при этом остается неповрежденной, поэтому, если вовремя вернуть ее на место посредством хирургического вмешательства, пострадавшая сетчатка (и зрение) вскоре восстанавливается.
Эймс разработал формулу искусственного раствора, имитирующего спинномозговую жидкость, которая омывает центральную нервную систему. В ходе своих экспериментов ученый быстро вынимал глаз у находившегося под наркозом животного (его потом усыпляли, пока действие наркоза не прошло), разрезал глаз и осторожно отделял сетчатку, оставляя ее висеть на зрительном нерве. Потом нерв перерезался. Так Эймс получал изолированную сетчатку – тончайшую, почти прозрачную полусферу, бледно-розовую в неподвижном состоянии и становившуюся серебристой при облучении светом. Плавающая в чашке Петри, она была похожа на кусочек намокшей салфетки Kleenex размером с чайную ложку.
Почти по всем параметрам изолированная сетчатка является живой. Она продолжает потреблять кислород и глюкозу, синтезирует новые белки, выделяет продукты обмена веществ. Нейроны сетчатки сохраняют электрическую активность. В течение следующих нескольких лет Эймс и его коллеги доказали, что изолированная сетчатка ведет себя именно так, как предположительно должна вести себя нервная ткань головного мозга. И, что самое главное, она реагирует на свет точно так же, как сетчатка в глазу живого существа.
В последующие годы метод Дела переняли все нейробиологи, и к 1980 г. почти никто не исследовал сетчатку непосредственно на животных. Более того, оказалось, что многие другие образцы нервной ткани тоже могут быть изолированы и существовать вне организма при правильной инкубации. Разработанный Делом специальный инкубационный раствор, известный как «транспортная среда Эймса», теперь продается компанией Sigma-Aldrich, ведущим поставщиком лабораторных химикатов
[12]. По моим весьма приблизительным подсчетам, за последние 40 лет они продали около 300 000 л этого раствора, что достаточно для того, чтобы спустить на воду фрегат ВМС США. (Эймс никогда не требовал роялти или каких-либо других выплат за свое изобретение. Впоследствии, когда ему была нужна для экспериментов «транспортная среда Эймса», он за деньги покупал ее у Sigma-Aldrich.)
ЗАВЕСА ПРИОТКРЫВАЕТСЯ
Меня заинтересовала технология Эймса, и по окончании магистратуры я добился, чтобы меня приняли научным сотрудником в его гарвардскую лабораторию. Эксперименты, которые я проводил под руководством Эймса, могли бы служить отличным базовым введением к курсу биологии восприятия. В них не было ничего новомодного, ничего «нобелевского» – просто реальная наука, небольшой, но важный шаг вперед, который открывал путь к новому пониманию.
Мы с Эймсом хотели узнать, как работает нейронная сеть сетчатки – проникнуть внутрь сетчатки и понять, каким образом происходит передача сигналов от внутренних нейронов к ганглионарным клеткам, которые в итоге формируют зрительное сообщение для головного мозга. Чтобы узнать это, мы собирались воздействовать на синапсы нейронов с помощью различных веществ, нацеленных на конкретные типы синапсов. Проще говоря, мы хотели оказать точно выверенное химическое воздействие на систему и посмотреть, как она отреагирует.
