19 марта 2024, вторник, 11:56
TelegramVK.comTwitterYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

07 декабря 2021, 18:00

Как мы видим. Нейробиология зрительного восприятия

Издательство «Альпина Паблишер» представляет книгу Ричарда Маслэнда «Как мы видим. Нейробиология зрительного восприятия» (перевод Ирины Евстигнеевой).

Мы легко узнаем близкого человека в толпе незнакомцев, и эта способность кажется элементарной. Но как на самом деле работает зрение? Как мы различаем лица, распознаем знакомые объекты и ориентируемся на местности? Как наш мозг перерабатывает и осмысляет визуальную информацию — пятна света, контуры и цвета? Гарвардский нейробиолог Ричард Маслэнд посвятил свою книгу зрению — от сетчатки глаза до зрительных центров в височной коре мозга. Он рассказывает обо всех аспектах зрения, устройстве наших глаз, процессах восприятия и осмысления сигналов. Читателей ждет научное путешествие по лабораториям нейробиологов, блестяще изложенные сведения о новейших экспериментах в области зрения и повод задуматься о том, как мы видим других людей и мир вокруг.

Предлагаем прочитать фрагмент книги, в котором автор описывает повседневную работу в нейробиологической лаборатории.

 

Обычный день из жизни нейробиолога: регистрируем активность нейронов мозга

Разговор о том, что происходит со зрительной информацией дальше — после того как она выходит из латерального коленчатого тела, мы продолжим в следующем разделе. Но сначала я хотел бы рассказать вам, как добываются все те факты, которые я здесь излагаю. Давайте проведем один день в лаборатории, чтобы понять и почувствовать, что же такое нейробиологическая наука на практике.

Конечно, двух одинаковых научных лабораторий не бывает: в каждой свои заведенные порядки, свои конкретные задачи, своя специфика. Некоторые из фантастических новых технологий, о которых я расскажу чуть дальше, диктуют свои особые условия. Но, как бы то ни было, многие исследователи работают именно так, как эти молодые постдоки в типичной лаборатории.

Я посвящаю этому целый раздел моей книги, потому что вы нигде больше об этом не прочитаете. В отличие от редакторов художественной литературы, которые представляются мне благодушными и доброжелательными людьми, редакторы научных журналов, по крайней мере в своей профессиональной деятельности, — это авторитарные тираны, которых ученые абсолютно не интересуют как личности и которые позволяют нам пользоваться свободой творчества только тогда, когда мы пишем собственные имена. В своих вотчинах они устанавливают строжайшие стилистические законы, которые призваны обеспечить максимальную точность и компактность передачи научной информации, не оставляя места для субъективности и допуская лишь редкие (и тщательно маркированные) вкрапления собственного мнения. Авторам обычно выделяют не больше десяти страниц, чтобы изложить результаты нескольких лет работы. Понятное дело, здесь не остается места для описания личного опыта и всех тонкостей проведения экспериментов. В результате у обычных людей складывается превратное представление о том, как делается наука и научные открытия. Чтобы восполнить этот пробел, я предлагаю вам поработать один день вместе с нами в настоящей научной лаборатории.

Мы, постдоки, прибываем в лабораторию к 9:00. Наш руководитель всегда является на несколько минут позже. Поздоровавшись с нами, он проходит к своему столу и погружается в работу — читает и пишет, вполглаза наблюдая за тем, что мы делаем. Наш босс — доктор наук, профессор и опытный экспериментатор, благодаря чему он и стал директором лаборатории, — но на начальном этапе всю грязную практическую работу делаем мы, постдоки. Мы зовем его, только если обнаруживаем что-то интересное и необычное… ну, или если у нас возникают проблемы с аппаратурой.

Наша лаборатория состоит из трех комнат. Первая, площадью примерно шесть на шесть метров — общая рабочая зона. В центре стоит хирургический стол с огромным операционным светильником над головой. Вдоль задней стены — длинный лабораторный стол с черной каменной столешницей и врезанной в нее большой раковиной. Над столом висит ряд шкафчиков со стеклянными дверцами, в которых хранятся хирургические инструменты и разные мелкие приспособления, необходимые для работы. У боковой стены стоит книжный шкаф с полками, забитыми научными журналами. Отдельные полки выделены под лабораторные журналы — одинаковые тетради с бледно-зелеными твердыми обложками и красными тканевыми корешками. Это бесценные документы — в них зафиксирована вся работа лаборатории, ее история. Новые журналы обычно стоят справа.

Регистрирующая аппаратура находится в небольшой смежной комнате. Там стоят три высоких вертикальных стеллажа, заполненных различными электронными приборами. Мы включаем их с утра, как только приходим в лабораторию, потому что оборудованию нужно время, чтобы нагреться. Закончив со всеми необходимыми приготовлениями, мы помещаем подопытное животное, находящееся под глубоким наркозом, в фиксаторы на операционном столе и приступаем к работе.

Сегодня у нас простая задача: узнать, как латеральное коленчатое тело реагирует на сигналы сетчатки. Нейроны латерального коленчатого тела просто повторяют сигналы нейронов сетчатки? Или же они модифицируют сигнал, прежде чем передать его в зрительную кору? Мы не стремимся подтвердить какую-то конкретную гипотезу. Конечно, у каждого из нас могут быть свои личные идеи на этот счет, но они никак не влияют на объективность эксперимента. Мы просто наблюдаем.

Электрическую активность нейронов ЛКТ мы отслеживаем с помощью микроэлектродов. Современные методы позволяют это делать абсолютно безболезненно. Хотя животное находится в глубоком бессознательном состоянии, его зрительная система все равно реагирует на раздражители — сенсорные нейроны возбуждаются, генерируя серии импульсов, когда соответствующий стимул превышает пороговое значение.

Импульс, или спайк, — это электрическое событие, которое можно обнаружить с помощью высокочувствительного электрода, помещенного рядом с клеткой. Чтобы зарегистрировать сигнал одиночной клетки, а не всех ее соседей, электрод должен быть совсем крошечным. Тело нейрональной клетки, где лучше всего записывать сигнал, составляет в диаметре от 5 до 30 мкм. Поскольку в мозговом ядре, таком как латеральное коленчатое тело, нейроны упакованы очень плотно, вам нужно как можно теснее прижать микроэлектрод к конкретному нейрону, чтобы выделить его сигнал на фоне сигналов окружающих клеток.

Итак, мы берем микроэлектрод. (Сегодня микроэлектроды покупаются в основном у коммерческих поставщиков. Но еще до недавнего времени мы изготавливали их сами: для этого бралась тонкая металлическая проволока, которая истончалась посредством травления в электролите и покрывалась изоляционным материалом — пластиком, лаком или стеклом — так, чтобы остался лишь крошечный металлический кончик длиной один-два микрометра. Вся эта операция производилась под микроскопом, чтобы обеспечить высокую точность.) Выводной конец микроэлектрода мы присоединяем к усилителю, а сам микроэлектрод помещаем в специальный микроманипулятор.

Благодаря тончайшему диаметру этот длинный провод можно ввести в мозг, не нанося больших повреждений. Нейроны головного мозга нечувствительны к боли. (Когда у вас болит голова, эти ощущения исходят от окружающих тканей и кровеносных сосудов, а не от нейронов.) Сегодня нейрохирурги лечат некоторые болезни у людей методом так называемой глубокой стимуляции мозга, когда в мозг пациента вживляются крошечные нейростимуляторы. При проведении этой процедуры пациенты обычно находятся в сознании и сообщают врачу о своих субъективных ощущениях, и они никогда не говорят, что испытывают боль, когда тонкая проволока движется внутри их мозга. Это звучит ужасно, но на практике оказывается на удивление безобидной процедурой; на сегодняшний день проведены уже тысячи таких операций, главным образом людям с болезнью Паркинсона, которым такая нейростимуляция помогает смягчить двигательные нарушения.

Но вернемся к нашему эксперименту. Прежде чем подвести микроэлектрод к конкретному нейрону, нам нужно ввести его в латеральное коленчатое тело. ЛКТ невозможно увидеть: оно находится глубоко внутри мозга и закрыто мозговыми полушариями. Поэтому для его локализации мы используем аппарат, называемый стереотаксической рамой. Этот аппарат позволяет определить точное положение мозга относительно находящихся на черепе ориентиров. Опираясь на специальные стереотаксические атласы, где в трехмерной системе координат указаны координаты различных структур мозга, мы пытаемся найти микроэлектродом ЛКТ. Но эти атласы несовершенны, к тому же существует (как у животных, так и у людей) значительная вариабельность соответствий между формой черепа и геометрией мозга, поэтому попасть в нужную нам структуру не так просто.

Обычно требуется несколько попыток. Мы начинаем вводить микроэлектрод в верхней части мозга в точке с координатами X и Y, расположенной вертикально над ЛКТ. Очень медленно, поворачивая микрометрический винт на манипуляторе, мы опускаем электрод все глубже, пока не достигаем указанных в атласе координат ЛКТ. Как мы узнаем, что попали в нужное место? В ответ на световую стимуляцию глаза наш электрод начинает улавливать электрические разряды. Мы отслеживаем их двумя способами. Во-первых, они выводятся на осциллограф — прибор с экраном как у старого телевизора. Это дает нам визуальное отображение активности нейрона — горизонтальную линию с вертикальными зубцами разной частоты. Поскольку изображение на экране лучше видно, когда на экран не падает яркий свет, в комнате полутьма.

Во-вторых, сигналы усиливаются и выводятся на стандартную аудиоколонку (через такие обычно слушают музыку). К счастью, сигналы нейронов звучат в диапазоне частот, которые способен воспринимать человеческий слух. В ходе экспериментов мы контролируем свои манипуляции в основном по звуку, а кривую на осциллографе используем как дополнительный способ контроля. Усиленный одиночный разряд нейрона звучит как короткий хлопок. Множество почти одновременных разрядов — указывающих на то, что мы недостаточно близко подвели микроэлектрод к клетке, — издают потрескивающее шипение. В этом случае на осциллографе мы видим сплошной частокол из небольших вертикальных зубцов. На научном языке это называется неразрешаемой фоновой активностью. Мы же в обиходе говорим «трава» или «шум» — например: «Черт, мы теряем эту клетку в шуме!» В прежние времена нейронограммы записывались на магнитную ленту или фотографировались на пленочный фотоаппарат прямо с экрана осциллографа; сейчас все происходит в цифровом формате.

Крайне редко нам удается сразу же услышать четкий сигнал одной клетки. Обычно мы слышим целый клеточный хор, поскольку все нейроны находятся примерно на одинаковом расстоянии от кончика электрода и ни один из голосов не звучит сильнее других. Изменение общего паттерна нейронной активности сигнализирует нам о том, что наш микроэлектрод достиг латерального коленчатого тела. Чтобы убедиться в этом, мы используем примитивный инструмент — фонарик, работающий от двух батареек. Когда мы быстро проводим лучом света по глазу животного, «трава» на осциллографе становится еще гуще, а колонка издает змеиное шипение: «Ш-ш-ш-ш». Это говорит о том, что мы почти у цели.

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 → 10:00. 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.

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2024.