Kitobni o'qish: «Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия», sahifa 4

Тогда я решил зайти с другой стороны и выяснить, какие клетки содержат ацетилхолин. По тем временам это была сложнейшая задача, и, если бы не самоотверженная помощь моего друга Джона Миллса, мастера магической техники вмораживания меченого ацетилхолина, я бы вряд ли сумел это сделать. Наградой за наш кропотливый труд стало единственное открытие, что ацетилхолин содержится в одной небольшой группе амакриновых клеток. (Амакриновые клетки – промежуточные нейроны; модифицирующие возбуждение ганглионарных клеток. Дальше я расскажу о них подробнее). Впоследствии эти клетки получили название «звездчатые», потому что их изящная симметричная форма напомнила Теду Фамильетти, нейроанатому с богатым воображением, фейерверк в виде звезд. Оказалось, что именно эти клетки лежат в основе такой замечательной способности ганглионарных клеток сетчатки, как избирательность в отношении направления.

В те же годы я реализовал еще пару небольших исследовательских проектов, но, чтобы сделать наши главные открытия, нам потребовалось почти семь лет непрерывной работы.

ПУТЬ ВПЕРЕД

Итак, мы установили, что ацетилхолин играет в сетчатке роль нейромедиатора и содержится в небольшой группе амакриновых клеток. Но это был только один нейромедиатор, а нас интересовали и все остальные. Биохимические эксперименты показали, что в сетчатке присутствуют и другие известные кандидаты в нейромедиаторы – например, дофамин, который в головном мозге отвечает за чувство удовлетворения, удовольствия и привязанности. (Нет, это не означает, что сетчатка является частью системы удовольствия – здесь дофамин действует по-другому.) Международная группа ученых во главе с Берндтом Эхингером из Швеции поставила перед собой задачу определить, какие клетки сетчатки содержат другие нейромедиаторы. По мере развития методологий и технологий такие исследования стали намного проще, и я со своей лабораторией присоединился к этим усилиям, хотя и с собственной повесткой.

На мой взгляд, просто составлять список нейромедиаторов сетчатки было скучным делом; гораздо любопытнее было то, что разные нейромедиаторы служили маркерами конкретных типов клеток. В отличие от большинства наших собратьев по цеху, я и горстка других ученых настаивали на том, что нам необходимо знать полные формы различных типов клеток и их реальное количество в сетчатке. Так мы смогли уйти от бессистемного подхода, свойственного классической анатомии. В этом подходе старой школы, который некоторые критики называли коллекционированием бабочек, вы собирали красивые единичные примеры и составляли из них коллекцию – что и становилось вашим исследованием.

Меня же интересовало количество, связи и полные деревья нейронов – разных типов нейронов, которые мы могли идентифицировать благодаря содержанию в них конкретных нейромедиаторов. («Деревом» нейрона (arbor) называется все разветвление его аксонов и дендритов; поскольку эти отростки образуют контакты с другими нейронами, дерево нейрона определяет всю совокупность его возможных связей.) Зная полные структуры и количество разных типов нейронов, мы могли нарисовать нейронную схему сетчатки и таким образом понять, как она функционирует.

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 Бойкоттом¹³. 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.

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.

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.

«Нам не нужно гробиться над анализом высокого разрешения, – сказала она. – Зачем возиться с тонкостями строения каждой клетки? Давайте просто идентифицировать клетки по их корневым дефинициям – по путям их отростков к синаптическим слоям сетчатки». В масштабе электронной микроскопии отростки нейронов выглядят огромными. Если на то пошло, заметила Энрика, их можно хорошо разглядеть даже через оптический микроскоп с максимальной разрешающей способностью. В этом случае потребуется гораздо меньше серийных срезов, потому что срезы для оптической микроскопии могут быть в десять раз толще, чем для электронной, и охватывать гораздо более обширные области. Таким образом, тестовые образцы сетчатки, по сути, представляли собой трехмерные сплошные объекты, чью внутреннюю структуру мы собирались изучить на основе двухмерных изображений их срезов (в наши дни цифровой визуализации это не представляло бы большого труда, но в те времена все было намного сложнее). Нашей целью было точно идентифицировать все до единой клетки в тестовых образцах.

Взяв подготовленные нами в Бостоне ткани сетчатки, Энрика вернулась в Пизу и принялась за работу. Она делала бесконечные серии срезов и фотографировала каждый срез под микроскопом. Негативы она отправляла нам в Бостон обычной международной почтой (благословенные технологии цифровой фотографии и электронной почты появились только после окончания этого проекта). Еще одним членом нашей команды была Ребекка Рокхилл, мой лаборант. Ребекка трудилась самоотверженно: когда я попросил ее отпечатать несколько тысяч фотографий, она молча закрылась в темной комнате на пять недель и в конце концов вышла из нее с толстенными пачками глянцевых фотографий размером 21,5 на 22 см, все еще источавших едкий запах фотореактивов.

Сидя за длинным столом, мы перебирали стопки снимков, скрупулезно отслеживая каждую клетку. Процесс происходил так: на фотографии № 1 вы видели множество клеточных тел нейронов – неправильной формы профили, срезанные в разных местах. Вы выбирали любую клетку, после чего брали фотографию № 2 и находили на ней ту же клетку, срезанную немного на другой глубине. Затем вы брали фотографию № 3, снова находили эту клетку и т. д., пока на очередной фотографии не обнаруживали выходящий из тела клетки отросток – аксон или дендрит. Теперь вам нужно было отследить, куда идет этот отросток – вверх к фоторецепторам или вниз к ганглионарным клеткам? Вы находили этот отросток на следующей фотографии и на следующей, прослеживая его траекторию до внутреннего или наружного синаптического слоя. Постепенно отросток становился все тоньше и тоньше и в конце концов исчезал. Разумеется, мы не могли проследить аксоны и дендриты до самых их окончаний, поскольку они становились слишком тонкими, чтобы их можно было зафиксировать на фотографии. Но мы могли проследить их достаточно далеко, чтобы с уверенностью сказать, идут ли они к внутреннему или наружному сетчатому слою.

Определение траекторий всех отростков клетки позволяло нам с высокой степенью надежности идентифицировать ее как биполярную, амакриновую или горизонтальную клетку. Мы опирались на корневые характеристики типов клеток: амакриновая клетка протягивает свои отростки только во внутренний синаптический слой сетчатки; горизонтальная клетка – только в наружный; биполярная клетка – в оба слоя.

Затем мы возвращались к первой фотографии и на теле клетки фломастером писали букву «Б» для биполяров, «А» для амакринов и «Г» для горизонтальных клеток. Если это была первая клетка того или иного типа, мы писали «Б1», «А1» или «Г1», после чего переходили к следующей.

Часть этой колоссальной работы проделал я сам, остальное сделали студенты, проходившие у меня летнюю практику. (Если вы думаете, что я испортил студентам лето и навсегда отбил у них вкус к нейробиологии, то это не так. По меньшей мере двое из них стали ведущими нейробиологами.) Поскольку каждой идентифицированной нами клетке присваивался свой инвентарный номер, который указывался на фотографиях, мы всегда могли вернуться и проверить свои выводы. Таким образом, мы вели предельно строгий учет: идентифицировали каждую клетку в образцах ткани из середины сетчатки и подсчитывали точную долю амакриновых, биполярных и горизонтальных клеток. Мы были абсолютно уверены в точности результатов.

Итак, закончив с этой работой, мы могли задать следующий вопрос: какое количество амакриновых клеток отсутствует в нашем реестре установленных клеточных типов? Мы начали с амакриновых клеток, потому что те были самыми большим классом нейронов внутреннего слоя сетчатки и наименее изученным. Другими словами: каково соотношение всех имеющихся в сетчатке амакриновых клеток и тех типов этих клеток, которые мы уже знаем? Ответ нас шокировал: известные нам типы амакриновых клеток в совокупности составляли всего 24 % от общего числа таких клеток.

Ответ обнадеживал разве что своей четкостью. Как вы помните, целью всего этого начинания, заставлявшей нас считать нейроны до поздней ночи, было понять, как сетчатка обрабатывает информацию: каким образом она формирует сообщения, отправляемые ганглионарными клетками в мозг? Другими словами, как cетчатка запускает первый этап зрительного восприятия? Мы оказались в тупике: 76 % потенциальных входов в ганглионарные клетки оставались для нас невидимыми.

ЭНРИКА СТРЕТТОИ

Энрика Стреттои – директор по исследованиям в Институте нейронаук Национального исследовательского совета Италии. Эта невысокая женщина пленяет своей жизнерадостностью и изысканным стилем. Большую часть времени она ходит на каблуках, и даже если изредка является в лабораторию в джинсах, в ее наряде всегда есть что-то креативное – обычные футболки не для Энрики. В моей памяти навсегда запечатлелась картина: Энрика идет по многолюдной улице в Пизе в разгар лета, на ней элегантный белый льняной пиджак, такая же юбка и жемчужные украшения, ее высокие каблуки легко цокают по неровной брусчатке.

Она родилась, выросла и живет в Пизе – городе, где был основан один из первых университетов средневековой Европы. В детстве она жила на втором этаже над продуктовым магазином, который держала ее мать. Сейчас они с мужем Лукой живут в пригороде в добротном фермерском доме, окруженном прекрасным садом. У них двое дочерей: одна стала врачом, другая учится на врача. В отличие от своей темпераментной матери, ее дочери – спокойные и тихие девушки, по крайней мере когда говорят по-английски.

Энрика – трудоголик. Как настоящая итальянка, по выходным она любит готовить для семьи вкусные блюда, но в рабочие дни приезжает в лабораторию первой и уезжает последней. Она не любит дураков, но вежливо их терпит. График жизни у Энрики такой: на много месяцев уйти с головой в работу, в августе как следует отдохнуть с семьей на море или в итальянских Альпах, а Рождество встретить дома в Пизе. Энрика – набожная католичка. Кроме того, они с Лукой увлекаются пением и поют в местной оперной труппе. Свои электронные письма друзьям она подписывает: «Крепко обнимаю, Энрика».

Один из ее проектов направлен на поиск способов противодействовать развитию слепоты, которая вызывается распространенной группой наследственных заболеваний, в совокупности известных как пигментный ретинит. Причина этих заболеваний в дефектных генах, экспрессируемых в фоторецепторах сетчатки. У человека, унаследовавшего один из таких генов, происходит дегенерация фоторецепторов, и человек теряет зрение – иногда за несколько лет после рождения, иногда за несколько десятилетий.

Энрика задалась вопросом, не может ли сенсорный ввод влиять на течение дегенеративного процесса. Вместе со своими учениками она решила проверить эту гипотезу на мышах с такими же мутациями фоторецепторных генов. Они вырастили одну группу таких мышей в обычных скучных клетках, а экспериментальную группу – в клетках, полных «игрушек» – деревянных блоков, по которым можно было лазить, норок, где можно было прятаться, и колес для бега. К своему удивлению, ученые обнаружили, что сетчатки мышей в такой обогащенной среде деградировали гораздо медленнее. Дальнейшие эксперименты показали, что основной положительный эффект дает беговое колесо – точнее говоря, физическая активность – в сочетании с сенсорной стимуляцией¹⁴.

Как именно это работает, до сих пор неясно, и результаты исследований Энрики не вызвали у научного сообщества большого интереса. В том, что физическая активность полезна, нет ничего нового; все знают, что это – «чудодейственное лекарство», способное замедлить и даже полностью предотвратить развитие практически любых заболеваний от головы до пят. Поскольку исследования Энрики всегда отвечают высочайшим научным стандартам, я убежден, что им можно доверять. И я считаю, что пациенты, страдающие пигментным ретинитом, должны знать, что с помощью физических упражнений они могут замедлить дегенеративный процесс в своей сетчатке. Поверьте, если бы я начал слепнуть от такого заболевания, я бы не ленился дважды в день потеть на беговой дорожке.

ПРОЛИВАЕМ СВЕТ НА АМАКРИНОВЫЕ КЛЕТКИ

Так как же нам установить идентичности этих 76 % таинственных амакриновых клеток? Мы перепробовали весь каталог потенциальных иммунохимических маркеров, но это не дало нам ничего нового. Нам нужно было найти новый подход к изучению нейронов сетчатки, который позволил бы идентифицировать все типы клеток.

Прежде всего мы решили сосредоточиться не на молекулярном окрашивании, а на форме клеток. Причудливые паттерны ветвления нейрональных дендритов и аксонов зачаровывали нейробиологов с момента рождения дисциплины. Некоторое время назад в Массачусетском технологическом институте состоялась художественная выставка, главными экспонатами которой были изысканные зарисовки нейрональных деревьев, сделанные Рамоном-и-Кахалем. Разумеется, некоторые скептики упрямо утверждали, что формы клеток не имеют особого значения, поскольку отражают всего лишь историю развития клеток, а не их функции в зрелом состоянии. Но форма клетки важна по одной неоспоримой причине: у нейрона она отражает его синаптические связи.

На рисунке выше показаны три нейрона сетчатки A, В и С – это вид сбоку, как на поперечном срезе сетчатки. Нейроны A и С – амакриновые клетки, которые протягивают свои отростки только во внутренний слой сетчатки в направлении к ганглионарным клеткам. Обратите внимание, что их дендриты доходят до разных уровней внутреннего синаптического слоя. Это очень важно. Амакриновая клетка С не может образовывать синаптический контакт с ганглионарной клеткой B, потому что их отростки находятся на разных уровнях и не касаются друг друга.

Вторая важная вещь, на которую следовало обратить внимание, – насколько далеко простираются нервные отростки. Амакриновые клетки A и C не могут выполнять одинаковую функцию из-за их разной формы, то есть они должны относиться к разным типам клеток. A – маленькая клетка, C – большая. Как вы помните, горизонтальная протяженность отростков нейрона сетчатки определяет размер его рецептивного поля. Клетки с далеко ветвящимися отростками отвечают за восприятие большой области видимого мира; клетки с короткими отростками – маленькой области. Таким образом, амакриновые клетки А и C выполняют разные зрительные функции, отправляют ганглионарной клетке разные виды сигналов и, следовательно, вносят разный вклад в формирование визуального сообщения, которое ганглионарная клетка передает в мозг.

Вопрос был в том, каким образом в настоящей сетчатке можно увидеть полные формы клеток со всеми их отростками, как это показано на рисунке на предыдущей странице? Тело клетки увидеть довольно легко – это основа клетки, хранилище, где находится ее ДНК и органеллы, отвечающие за производство энергии и поддержание клеточной жизнедеятельности. Но отростки нейрона – аксон и дендриты – почти невидимы: они очень тонкие и тесно переплетены с отростками других нейронов. Даже если бы существовал краситель, способный полностью окрасить дендриты до самых кончиков, идентифицировать все дендриты индивидуального нейрона было бы практически невозможно.