Наша работа увенчалась успехом лишь в 1974 году, когда наш отдел в Йельском университете навестил Эд Эвартс из Национального института по изучению неврологических заболеваний и инсульта в городе Бетесда, штат Мэриленд. Эвартс был ведущим специалистом по двигательной коре головного мозга. В ходе его визита я рассказал ему о наших экспериментах с обонятельной луковицей и о том, как сложно опередить, где именно считывать реакцию на различные обонятельные раздражители. Эвартс предположил, что нас может заинтересовать новый метод, над которым в тот момент работал Фрэнк Шарп, один из аспирантов его лаборатории. Изначально метод создал Луис Соколофф, ведущий биохимик лаборатории по соседству. Соколофф объединил усилия с одним из великих первопроходцев в изучении биохимии мозга Сеймуром Кети и выдающимся молодым фармакологом Флойдом Блумом для разработки метода картирования активности мозга по локализации энергозатрат. Метод основывается на том факте, что все виды нервных клеток для активности нуждаются в непрерывном притоке кислорода и глюкозе как источнике энергии; потому-то мы и падаем в обморок при нарушении притока крови к мозгу. Для поддержания подвижности заряженных ионов клеточной оболочки, которые создают импульсную активность, или так называемый синаптический потенциал (изменения электрического потенциала от межклеточного перемещения ионов через синапсы нервных клеток), энергия не нужна; зато она жизненно необходима для работы насосов на мембране, обеспечивающих равновесие путем поддержания равномерного распределения ионов по обе стороны клеточной мембраны.
Соколофф и его коллеги предложили отслеживать электрическую активность при помощи модифицированной формы глюкозы – изотопа без атома кислорода при втором углеводе – под названием 2-дезоксиглюкоза (2-ДГ). Активные клетки принимают 2-ДГ за обычную форму глюкозы, но измененная структура препятствует дальнейшей ее метаболизации. Следовательно, высокая концентрация 2-ДГ блокирует метаболические процессы, в то время как малая концентрация (то есть следовое количество) позволяет определить, какие именно группы клеток вобрали 2-ДГ, не подавляя клеточный метаболизм. Данный метод предполагал введение подопытному животному модифицированной глюкозы, стимуляцию определенным раздражителем на протяжении 45 минут и использование ряда рентгенографических снимков для определения локализации радиоактивности.
Первые экспериментальные данные показали эффективность метода для картирования зрительной коры; предположительно, он мог подойти для картирования иных частей мозга с непредсказуемыми схемами активации. Изобретение этого метода оказало огромное влияние на все разделы науки, сопряженные с изучением мозга, ведь именно благодаря открытию метода 2-ДГ стало возможно изобретение таких методов применимой к людям безопасной диагностики, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), более современных вариантов ПЭТ-сканирования мозга, функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ
[46]) и иных аналогичных методов.
МОМЕНТ ОЗАРЕНИЯ
Когда Эд рассказывал нам об этом новейшем методе, Фрэнк еще не закончил проводить физиологические испытания. Эд предупредил, что у них есть основания полагать, что метод скорее ориентирован на выявление синаптической активности в соединениях между нейронами, нежели на импульсную активность как таковую.
Этот момент был воистину судьбоносным. Я посмотрел на своего коллегу-аспиранта Джона Кауэра, и мы поняли, что наконец нашли то, что искали. Входящие волокна (аксоны) рецепторных клеток заканчиваются в гломерулах, на некотором расстоянии от митральных клеток, в которых возникает импульсная реакция. В прошлом мы считывали электрофизиологическую активность самих митральных клеток, находящихся в отдалении от гломерул; в то время как 2-ДГ предположительно должна поступать непосредственно в гломерулы – туда, где рецепторные клетки соединяются с клетками обонятельной луковицы. Мы предположили, что метод 2-ДГ прекрасно подходил для проверки нашей гипотезы, что запахи создают пространственные схемы активации гломерул. Эвартс и Шарп радушно пригласили нас присоединиться к ним и проверить нашу гипотезу на практике.
ПЕРВЫЕ СХЕМЫ ЗАПАХОВ
В декабре 1974 года я приехал в Национальный институт здравоохранения для проведения первой серии экспериментов. Памятуя труды Адриана и его дождевого червя, в качестве раздражителя я захотел подобрать нечто приземленное и реалистичное, а потому мы с Фрэнком отправились в местный супермаркет за выдержанным сыром чеддер. Еще одним преимуществом метода 2-ДГ была возможность проводить опыты на бодрствующем животном, а потому мы просто положили сыр перед подставкой, удерживающей нос животного, и направили на него поток воздуха. Мы провели целый ряд опытов – с сыром, с амилоуксусным эфиром (он обладает фруктовым ароматом, напоминающим банановый) – и несколько контрольных (без каких-либо обонятельных стимулов). Исследования мы проводили на крысах и кроликах. Закончив с экспериментальным этапом работы, я без особого воодушевления покинул лабораторию, предоставив Фрэнку подготовку срезов опытных образцов.
В начале января мне позвонил Фрэнк, пребывающий в крайне приподнятом настроении. На снимках срезов обнаружились маленькие точки. Я спросил, означают ли эти точки, что наши опыты увенчались успехом? Он воскликнул, что да, ведь это самые отчетливые результаты из когда-либо полученных при помощи этого метода. Я уточнил у него: уверен ли он? Он заверил меня, что да, он абсолютно уверен, и добавил: жаль, что я не видел, как Эд пустился в пляс по лаборатории при виде этих точек!
Мы с Джоном вскоре вернулись в их лабораторию для проведения дальнейших экспериментов, и результаты оказались не менее информативными, чем первая серия! На рентгеновских снимках наблюдались очаги повышенной плотности, локализованные в некоторых областях гломерулярного слоя. Новость о результатах наших экспериментов быстро разлетелась и произвела такой фурор, что в 1975-м нам пришлось отложить публикацию наших результатов, чтобы Соколофф и его команда могли сначала опубликовать свою статью об открытии метода 2-ДГ. В первой статье нашего проекта мы с Френком Шарпом и Джоном Кауэром написали:
«Судя по всему, при стимуляции обоняния амилоуксусным эфиром метаболическая активность в обонятельной луковице запускается в соответствии с некой фиксированной схемой. Это подразумевает существование неких топографических схем нейронной активности, ассоциирующихся с обработкой поступающего запаха. Предварительные исследования с использованием иных раздражителей (камфоры, сыра и т. д.) позволяют предположить дифференциацию пространственных схем рецепторной активности по разным запахам и группам запахов.
Идея, что в обонянии задействованы некие пространственные схемы, не нова, впервые ее высказал Адриан, и с тех пор ее разработке посвятили немало исследований. Используемый в данной работе метод рекомендуется для проведения дальнейших изысканий по теме».
Мы подчеркнули преимущества нашего метода: он демонстрирует активность всей изучаемой системы (а заодно и всего головного мозга) и не искажает рецепторные реакции (что нередко происходит при контакте электрода с активной клеткой). Мы также отметили, что этот метод можно использовать для опытов на животных, пребывающих в сознании и демонстрирующих природное поведение, а это позволяет фиксировать реакцию даже на очень слабые раздражители. Такими же преимуществами обладает ПЭТ и иные современные методы функционального сканирования мозга, широко применяемые на людях.
