Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия

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.

Конечно, не обходится без трудностей и разочарований. Как-то моя лаборатория потратила целый год впустую из-за некачественного коммерческого реактива (в финансовом плане этот неэтичный поставщик обошелся американским налогоплательщикам почти в $300 000). Как бы то ни было, нейробиологи с головой погрузились в ИЦХ-исследования: Харви Картен и Ник Бреча, пионеры этого метода; Джули Санделл сначала в Гарварде, затем в Бостонском университете; Берндт Эхингер в Швеции; Хайнц Вессле и Лео Пайхль в Германии; Дайана Редберн и Стив Мэсси в Техасе и, разумеется, я. Благодаря иммуноцитохимии молодой новозеландский исследователь Дэвид Вэйни нашел свое призвание: он прославился своими потрясающе красивыми снимками, сделанными через микроскоп, так что в конце концов ушел из науки и начал карьеру фотографа.

При наличии подходящих ИЦХ-реагентов этот метод позволял увидеть через флуоресцентный микроскоп все клетки сетчатки, содержавшие конкретную молекулу-мишень. При малом увеличении перед вашим взором представало поле светящихся звезд на темном фоне. При большом увеличении можно было детально рассмотреть форму отдельного нейрона, его тонкие отростки, извивающиеся по сетчатке или ныряющие в глубь нее, его структуру связей с другими клетками. Но как найти вещества-реагенты с избирательным воздействием на конкретные молекулы, которые присутствуют в интересующих нас подтипах нейронов сетчатки? Это делалось (и делается до сих пор) методом научного тыка. Лучшими реагентами были и остаются синаптические нейромедиаторы: дофамин, наш старый знакомый ацетилхолин, серотонин и т. п., каждый из которых присутствует в относительно небольшом наборе нейронов сетчатки. (Разумеется, нейроны содержат намного больше различных молекул, предположительно десятки тысяч. Но большинство из них – особенно те, что отвечают за поддержание клеточной структуры и обеспечение клетки энергией, – присутствуют во многих типах клеток не только в сетчатке, но и в головном мозге и других частях тела. Поэтому для нас такие молекулы бесполезны.)

Итак, опубликовав 20–30 научных работ, наша группа накопила достаточно данных, чтобы составить список из дюжины различных типов клеток сетчатки. Каждый из этих типов клеток окрашивался с высокой степенью надежности, что давало нам возможность четко увидеть всю популяцию клеток этого типа по всей сетчатке отдельно от других нейронов. Мы могли измерить их размер, изучить их форму и структуру связей и сосчитать – что, хотя и звучит банально, лежало в основе настоящей науки, которая уводила нас от коллекционирования бабочек в виде отдельных «типичных» клеток и вела к пониманию общей схемы и, как следствие, того, какую функцию выполняют разные типы клеток в зрительной системе. Например, некоторые типы нейронов были очень малочисленны, но протягивали свои дендриты на большие расстояния по сетчатке. Это говорило о том, что эта популяция не могла быть вовлечена в передачу изображения с высоким разрешением. Низкая плотность клеток означала слишком крупные пиксели: каждая клетка передавала информацию о слишком большой области видимого мира, поэтому изображение, получаемое мозгом, должно было выглядеть состоящим из огромных расплывчатых пятен. И наоборот, некоторые типы крошечных клеток присутствовали в сетчатке в огромных количествах, и им была свойственна высокая плотность. Мы сразу же предположили, что эти клетки образуют канал передачи изображения высокого разрешения от фоторецепторов в мозг, и последующие исследования подтвердили наш вывод.

Таким образом, мы и другие лаборатории увлеченно изучали под микроскопом красивые светящиеся картинки и постепенно начинали понимать, как устроена сетчатка, – пока не столкнулись с проблемой отсутствия реагентов для окраски. Нам удалось найти всего несколько маркерных молекул, способных окрашивать конкретные типы клеток, а все остальное, что мы пробовали, не работало. В комнате остался огромный невидимый слон: бо́льшая часть клеток, которые мы сумели идентифицировать, относилась к редким типам. Поскольку иммуноцитохимический метод позволял выделять сразу целые популяции, мы видели, что большинство этих типов клеток распределено по сетчатке с очень малой плотностью: существовали целые области, где маркерные молекулы не окрашивали ни единой клетки. Если сравнить сетчатку с детской картинкой-раскраской, нам удалось раскрасить всего 20 % ее поверхности, а остальные 80 % оставались белым или, точнее, темным пятном.