Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия - Ричард Маслэнд

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 стимуляцией[14].

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.

Нам требовалось найти такой метод, который позволил бы нам надежно выделять отдельный нейрон среди всех остальных. Кроме того, метод должен был быть управляемым, чтобы мы могли использовать его для систематической выборки популяций амакриновых клеток. Техника, на которой мы в итоге остановились, называлась фотозаполнением (photofilling). Сначала сетчатка погружалась в раствор со светочувствительными молекулами, которые посредством диффузии проникали во все нейроны. Затем мы фокусировали крошечное – площадью меньше нейрона – пятно света на случайно выбранной амакриновой клетке. В ответ на мощный световой стимул в клетке запускалась цепь реакций, в результате которой флуоресцентные молекулы распространялись по всему внутреннему пространству целевого нейрона – и высвечивали его на фоне миллионов его нефлуоресцирующих собратьев.

Трудностей, разумеется, хватало. Например, флуоресцентную клетку нельзя было фотографировать обычным способом, потому что используемый в этом случае свет вызывал реакцию флуоресценции во всех окружающих клетках. Мы решили эту проблему, купив самый высокочувствительный (и астрономически дорогой) цифровой фотоаппарат, позволяющий делать снимки менее чем за одну десятую долю секунды – прежде чем флуоресцентная реакция успевала распространиться вокруг. Также выяснилось, что этот метод работал лучше с маленькими клетками, чем с большими. Как бы то ни было, по мере практики наш оператор Маргарет Макнил, опытный постдок, овладела этой техникой почти в совершенстве. Когда она нацеливала луч света на случайно выбранную клетку, ей удавалось зафиксировать изображение ее дендритного дерева в 94 % случаев. Несколько сотен таких фотографий обеспечили нам довольно-таки репрезентативную выборку всей популяции амакриновых клеток.