Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия - Ричард Маслэнд

Теперь оператор продвигает электрод еще медленнее, аккуратно поворачивая микрометрический винт на манипуляторе. Обычно постдоки работают в паре. Один наблюдает за экраном, чтобы не пропустить момент, когда из «травы» вырастет одиночный шип; другой медленно двигает микроэлектрод, стараясь приблизить его к нейрону. Мы оба внимательно прислушиваемся к исходящему из колонки шипению, ожидая, когда раздастся слабый хлопок. Периодически мы останавливаемся и ждем одну-две минуты: мозговая ткань прилипает к электроду, и эта короткая остановка нужна для того, чтобы ткань сдвинулась вверх на свое место. Еще одна эффективная техника микроперемещения – слегка постучать по столу, на котором лежит животное, чтобы эта легкая вибрация передалась на электрод. Но часто одиночный сигнал возникает из шума сам: услышав слабый хлопок, оператор с предельной осторожностью старается приблизить кончик микроэлектрода вплотную к клетке. Если двигать электрод слишком быстро, можно повредить клеточную мембрану – и убить клетку. Когда такое случается, клетка издает агональный крик из высокочастотной пачки спайков, которая быстро угасает подобно воплю жертвы, падающей с небоскреба в плохом фильме: «Ааааииииииииееее!!!» Но, если мы все делаем правильно, в качестве вознаграждения мы слышим песню одиночного нейрона: ровную барабанную дробь спайков с резкими высокочастотными всплесками, когда мы светим в глаза животного лучом фонарика.

Уже середина дня. После того как мы изолировали одиночный нейрон, наша задача меняется. Теперь нам нужно узнать: что именно этот конкретный нейрон сообщает мозгу о видимом мире? Эксперимент превращается в игру-угадайку. Мы помещаем перед глазами животного светопрозрачный пластиковый экран площадью квадратный метр, на который наклеена тонкая чертежная калька. Активность клетки мы отслеживаем в основном на слух. В полной темноте нейрон все равно генерирует спонтанные разряды в своем уникальном темпе. Зарегистрировав его самопроизвольную активность, мы приступаем к решению нашей задачи – определить, на какие стимулы, паттерны и движения реагирует эта клетка. Мы берем фонарик поменьше – фонарик-авторучку, дающий световое пятно диаметром чуть больше сантиметра. Быстро двигая лучом по экрану (и, следовательно, по сетчатке), мы прислушиваемся к интенсивности импульсов. Приблизительно локализовав чувствительную область – рецептивное поле нейрона, мы берем фонарик с почти точечным пятном света диаметром около двух миллиметров. Снова перемещая это точечное пятно по экрану, мы более точно локализуем рецептивное поле – и аккуратно очерчиваем его границы карандашом на кальке. Эту кальку мы затем вклеиваем в лабораторный журнал, где составляем отчет об эксперименте.

Каждой идентифицированной таким образом клетке мы присваиваем имя с указанием даты эксперимента и порядкового номера, под которым та была исследована в этот день. Но мы пока выяснили только то, за какую область в общем поле обзора отвечает эта конкретная клетка. Следующим шагом мы тестируем ее на избирательность к направлению: мы перемещаем пятно света в пределах ее рецептивного поля, меняя направление движения, скорость, а также размер светового пятна. Если клетка, кажется, предпочитает какое-то одно направление, мы тщательно уточняем, какое именно, и отмечаем его стрелкой на кальке. Если же у нее нет никаких предпочтений такого рода, мы делаем вывод, что это, вероятно, классическая ганглионарная клетка, и переходим к идентификации ее основного типа: on– или off-клетка, с транзиторным или устойчивым ответом. Наконец, мы исследуем механизм латерального торможения. Для этого мы используем два точечных пятна света, одно в центре рецептивного поля, другое непосредственно за его пределами. Сначала мы регистрируем ответ клетки только на световое пятно в центре, затем – только за пределами рецептивного поля и наконец – на два пятна сразу (точность синхронизации обеспечивается электроникой). Практически всегда двойная стимуляция дает более слабый ответ, чем стимуляция только центра, – результат действия латерального торможения.

Иногда нам попадаются крепкие орешки. Они не реагируют на световой стимул ни в одной части поля обзора, и никакие наши ухищрения – изменения направления движения, скорости, размера светового пятна – не заставляют их разразиться высокочастотными пачками спайков. Когда нам не удается вызвать выраженный ответ, есть два варианта: либо клетка повреждена (возможно, мы задели ее оболочку микроэлектродом), либо мы не знаем, на какой аспект видимого мира она реагирует. Если никакие усилия не дают результата, нам не остается ничего другого, кроме как признать поражение и зарегистрировать клетку с удручающей пометкой «неклассифицированная».

О каждой исследованной нами клетке мы делаем короткую запись (от руки, обычной чернильной ручкой) в лабораторном журнале с прошитыми и пронумерованными листами, чтобы ни у кого не возникало соблазна вырвать из него страницу. Если какая-то запись оказалась ошибочной, ее зачеркивают тонкой линией – стирать ее или удалять иным способом не разрешается, чтобы последующие читатели знали, что здесь присутствовала неопределенность.

Наши записи – образец простоты и лаконичности. Вот, например, запись от 15 июня 1985 г.: «Клетка 15/06/85-5, круглое рецептивное поле, on-центр, торможение по окружности. Клетка 15/06/85-10, избирательность к направлению, предпочтительное направление 7:00 → 1:00. Клетка 15/06/85-14, слабая реакция на рассеянный свет, более выраженная реакция не обнаружена. Повреждена?» Эти записи вместе с зарисовками рецептивных полей, записями активности нейронов на магнитных лентах и фотографиях с осциллографов составляют основную базу данных для дальнейших исследований.

Шкаф со священными лабораторными журналами никогда не запирается на замок. Подделать данные экспериментов сложно – да и кому это нужно? Мы не стремимся подтвердить какую-то конкретную теорию, на кону у нас не Нобелевская премия, поэтому в фальсификации результатов нет никакого смысла.

Если все это кажется вам легким делом, вы ошибаетесь. Случается, что аппаратура дает сбой. Иногда приходится тратить массу сил на борьбу с внешними помехами. (Поскольку микроэлектрод – это, по сути, антенна и мы используем очень большое усиление, аппаратура может улавливать 60-герцевую частоту электрического тока в комнатной проводке или даже звуковую дорожку какого-нибудь телеканала. Чтобы избавиться от этих внешних сигналов, приходится перемещать провода или устанавливать в нужном месте защитный экран.) А бывают дни, когда по неясной причине – возможно, вследствие комбинации множества наших собственных мелких ошибок – нам не удается изолировать ни одну клетку. Из-за всех этих и других сложностей за день нам удается успешно исследовать в среднем не больше полудюжины клеток. Обычно эксперимент длится с 9:00 до 18:00. Если дела идут особенно хорошо, мы продолжаем работать допоздна, чтобы исследовать как можно больше клеток. Чтобы составить достаточно полное представление об участке зрительного проводящего пути, нам требуется выборка из нескольких сотен клеток, поэтому весь проект занимает много месяцев. Многие лаборатории проделали эту трудоемкую работу, и она позволила нам сформировать основы понимания того, как работает зрительный анализатор. Путь к пониманию зрения оказался очень медленным и долгим.

ДЕТЕКТОРЫ ОРИЕНТАЦИИ КРАЕВ