Я осознал важность такой методики благодаря одному потрясающему докладу, услышанному мной на конференции по проблемам исследования зрения. Докладчиком был Хайнц Вессле, высокий немец примерно моего возраста, директор Института исследований мозга Макса Планка во Франкфурте. Институты Макса Планка – это научно-исследовательские учреждения, по сути, большие лаборатории, каждую из которых возглавляет один ученый. Они щедро финансируются правительством Германии. Директора Институтов Макса Планка – сливки немецкой науки, а Вессле на тот момент был самым молодым из них.
На лекции, состоявшейся в конференц-отеле рядом с роскошными пляжами западной Флориды, Вессле рассказал о результатах исследования ганглионарных клеток, недавно проведенного им вместе с Брайаном Бойкоттом
[13]. Они нашли способ окрашивать два типа ганглионарных клеток сетчатки: крупные ганглионарные клетки, присутствующие в сетчатке в относительно небольшом количестве (они назвали их альфа-клетками), и более мелкие и многочисленные ганглионарные клетки, названные бета-клетками. Затем Вессле вместе с Бойкоттом и его учеником Лео Пайхлем показали, что разная анатомическая форма альфа– и бета-клеток соответствует разной кодировке их визуального ввода. Альфа-клетки были клетками с транзиторными on– и off-ответами; бета-клетки – клетками с устойчивыми on– и off-ответами.
Почему меня так взволновала эта новость? Во-первых, это означало, что уникальная форма клетки свидетельствует о том, что она играет свою конкретную и уникальную роль в функционировании сетчатки. Чем больше мы об этом узнавали, тем больше убеждались, что разные формы всегда означают разные функции в машине сетчатки – подобно разным шестеренкам и колесикам в сложном механизме. Это давало нам возможность двигаться в обратном направлении от формы клеток к нейронным микросхемам и дальше к общей схеме, которая и определяла функцию каждой клетки. Таким образом, изучая форму и количество отдельных деталей, мы могли узнать, как работает этот таинственный механизм – сетчатка глаза, – кодирующий видимую картину мира в набор сигналов для головного мозга.
Второй причиной, почему меня это воодушевило, был уровень определенности, которого добились Вессле и Бойкотт. Проведенное ими анатомическое исследование дало нам не просто красивые бессистемные картинки альфа– и бета-клеток в духе коллекционирования бабочек, но воспроизводимую информацию о популяциях клеток в целом. Это делало открытие стереотипности форм поистине прорывным: аналогично тому, как клены имеют свою типичную форму ветвления, отличающуюся от ветвления дуба, альфа-клетки имели свою специфическую структуру, а бета-клетки – свою. Такое сложно увидеть, когда перед вами всего один экземпляр данного типа клеток – одно кленовое дерево, но когда вы видите всю совокупность клеток данной популяции, их общие черты бросаются в глаза. Немного попрактиковавшись, можно научиться с первого взгляда распознавать альфа– и бета-клетки. И, тогда как Вессле с коллегами открыли всего два типа клеток, было очевидно, что существуют и другие.
Я прилетел на конференцию вместе с двумя гарвардскими друзьями, но, поскольку их интересы лежали в смежных научных областях, они решили пропустить доклад Вессле. Я оставил их в сколоченном из грубых досок баре на набережной под шелестящими кронами пальм, в которых мягко играл легкий бриз из Мексиканского залива. Когда я вернулся, они заканчивали второй кувшин пива. «То, что я только что узнал, навсегда изменит наш подход к изучению нейронных сетей», – сказал я им.
«И что же это такое?» – с нетерпением спросили они.
Я рассказал им об исследовании Вессле и объяснил, что вскоре мы сможем идентифицировать целые популяции клеток и, опираясь на их стереотипные формы, определить их функции. Наконец-то мы сможем прийти к чему-то системному, построенному на надежной количественной и воспроизводимой основе!
Я видел, что они разочарованы. «Анатомия? – думали они. – Ты, наверное, шутишь?!» Но доклад Вессле выкристаллизовал мое мышление: я четко увидел алгоритм, путь вперед, который рано или поздно должен был привести нас к пониманию того, каким образом работает система зрительного восприятия.
Как показало будущее, знание того, как организованы нейроны в сетчатке, – и, в частности, представление об их функциональном разнообразии, – также помогло нам глубже понять другие структуры центральной нервной системы.
4 | Нейроны-призраки
Либо ты, Тиресий, знаешь это наверняка, либо не знаешь вовсе.
ЭЗРА ПАУНД
Тихая революция, произошедшая в нейробиологии в XXI в., была связана с возрождением анатомии. К тому времени некоторые считали анатомию устаревшей наукой, в которой не было места для прорывных открытий. Тем не менее никто не отрицал важности изучения структуры головного мозга. Работа основоположника и покровителя нейробиологии Сантьяго Рамона-и-Кахаля была всецело основана на нейроанатомии. Студенты-медики на протяжении всех последних поколений зубрили названия отделов, ядер и трактов мозга. В широком смысле нейроанатомия, или, как ее теперь иногда называют, структурная нейробиология, говорила нам следующее: мозг – это машина связей и все, что он делает, в конечном итоге сводится к тому, как соединены между собой различные его части.
На рубеже ХХ – XXI вв. ряд технических достижений привел к скачку в понимании анатомии мозга. Первым было значительное улучшение разрешения микроскопов, что было связано с изобретением так называемого конфокального микроскопа (я покажу вам один из них в действии ближе к концу книги). Вторым стало развитие способов визуализации клеточных компонентов. Магические инструменты молекулярной биологии дали нам возможность создавать маркеры даже для самых крошечных частей субклеточного аппарата, а конфокальные микроскопы позволили наблюдать за его работой. Мы получили возможность видеть то, о чем раньше могли лишь мечтать: клетки в движении, плавающие в своей естественной среде; клеточные кластеры, где разные типы клеток светятся в темноте разными цветами, и т. д. Эти достижения позволили нам замахнуться на, как казалось ранее, немыслимое: составить полную опись всех нейронов головного мозга (и сетчатки, в частности), что должно было стать первым шагом на пути к распутыванию его замысловатой системы связей.
ЗАГАДОЧНЫЕ НЕЙРОНЫ
Проведенное Хайнцем Вессле исследование ганглионарных альфа– и бета-клеток, о котором я узнал на конференции во Флориде, показало нейробиологам, что мы можем подойти к изучению сетчатки с другой стороны: сначала составить полный список ее компонентов, а затем попытаться выяснить, какие функции они выполняют. Тем более что к тому времени у нас появились новые замечательные инструменты, которые позволяли это сделать.
Одним из таких инструментов была иммуноцитохимия (ИЦХ). Этот метод, получивший широкое распространение с начала 1990-х гг., позволяет обнаружить присутствие практически любой белковой молекулы внутри клетки или ткани. Если вы когда-нибудь смотрели видео с завораживающими светящимися нейронами, знайте, что их, скорее всего, снимали с использованием иммуноцитохимии. Это довольно простая техника, которая обеспечивает потрясающую визуализацию.
