Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия

Мы были обескуражены. Наше стремление разобраться в устройстве системы зрительной сигнализации ганглионарных клеток, казалось, наткнулось на непреодолимое препятствие: если мы не можем идентифицировать большую часть элементов системы, как мы можем надеяться узнать, каким образом эта система производит свои операции, такие как повышение контрастности, избирательность в отношении направления и т. п.?

Я признаю, что нашим желанием составить полный каталог нейронов сетчатки отчасти двигало простое любопытство. Представьте, что вам подарили старинные часы без инструкции по эксплуатации. Вас заинтересовало их необычное устройство. С функцией маятника все более-менее понятно. Но что делает каждая из этих блестящих латунных шестеренок и прочих деталей? Зачем они нужны? Сама Природа, этот божественный часовщик, дразнила наше любопытство.

Проблема с исследованием сетчатки и остальной части центральной нервной системы была в том, что, будучи окрашены неспецифическими красителями, все нейроны выглядели одинаково. Доступные универсальные красители высвечивали только тела клеток, тогда как именно тонкие нейронные отростки – дендриты, принимающие входные сигналы, и аксоны, посылающие сигналы другим клеткам, – делают каждый тип нейрона особым. Именно по этой причине изучение типов нервных клеток в прошлом страдало от отсутствия системности: нам приходилось работать с отдельными экземплярами, которые удавалось окрасить, и в наших теориях было слишком много места для случайности и догадок.

Мы считали, что в изучении сетчатки мы можем добиться прогресса. В отличие от многих других областей мозга, нам была известна ее функция. У сетчатки есть четко определенное начало и конец; информационные потоки текут через нее в одном направлении; она пространственно компактна – расстояние от фоторецепторов до ганглионарных клеток составляет всего около трети миллиметра. На наш взгляд, было вполне достижимой целью создать карту всех клеток сетчатки. Сегодня такую карту всех нейронов и структуры их связей называют нейромом (neurome) – по аналогии с геномом, совокупностью генов живого организма.

ОХОТА НА ПРИЗРАЧНЫЕ НЕЙРОНЫ

Но как подступиться к этой задаче? Перед нами лежала практически неизведанная территория. Даже об основных классах нейронов сетчатки – фоторецепторах, горизонтальных, биполярных, амакриновых и ганглионарных клетках – на тот момент имелись лишь обрывочные сведения. При использовании обычных красителей эти пять типов клеток выглядели почти одинаково, отличаясь друг от друга немногим больше, чем маленькие овалы на рисунке на следующей странице. Мы знали о существовании этих больших классов клеток и примерно догадывались об их количестве, но как получить более точную информацию обо всех элементах системы? Сетчатка выглядела для нас примерно так, как на этом рисунке: мы могли идентифицировать несколько отдельных клеток (здесь они нарисованы как черные кружки с отростками), а остальные (белые кружки) оставались для нас загадками.

За советом я обратился к Элио Равиоле, старшему сотруднику кафедры нейробиологии Гарвардского университета, магу нейроанатомии. Мой вопрос состоял в следующем: может ли электронная микроскопия (одно из многочисленных искусств, которыми он владел) помочь нам увидеть различия между нейронами? Конечно, ответил он, но это потребует невероятно кропотливого труда: кому-то придется сидеть за специальным резаком (микротомом), делать с образцов сетчатки десятки тысяч ультратонких срезов и затем исследовать их под микроскопом. Поскольку у Элио были дела поважнее, он направил меня к своей итальянской ученице Энрике Стреттои. Энрика оказалась талантливым молодым ученым, абсолютно бескомпромиссным в отношении науки. Вместе с Равиолой они провели потрясающее исследование нейронных связей в сетчатке с использованием электронной микроскопии серийных срезов. Энрика привнесла в нашу команду свои навыки, дисциплину и страсть, а также подсказала ключевую идею, благодаря которой мы сумели достичь нашей цели.