Текст книги "Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия"

3 | Микропроцессор в глазу

 
Человек склонился над гитарой,
Непохожий на других, почти изгой.
День был зелен,
И ему сказали: «Голубой своей гитарой
Искажаешь мир ты – он совсем другой».
А в ответ он: «Но моя гитара голубая
Изменяет мир тот, что мы знаем».
 

УОЛЛЕС СТИВЕНС

Итак, мы выяснили, что лучше всего видим частью глаза с высокой плотностью нейронов. Но не все ганглионарные клетки сетчатки одинаковы. Это не стандартные фотоэлементы вроде тех, что используются в приборах («магических глазах»), которые обнаруживают проникших в ваш дом грабителей или не дают закрыться дверям лифта, пока вы не вошли в него или не вышли. Ганглионарные клетки по-разному реагируют на разные визуальные раздражители – аналогично тому, как это делают разные типы осязательных нейронов в коже. Видимая картина фрагментируется, раскладывается на наборы специализированных сигналов. Этот начальный этап обработки изображения влияет на то, как мы видим восход солнца, как уворачиваемся от выскочившего из-за угла автомобиля, как узнаем лицо любимого человека и как наслаждаемся полотнами Ван Гога.

ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ – 1: СЕТЧАТКА РАСКЛАДЫВАЕТ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Начнем мы с самого простого типа кодирования, основанного на различиях между ганглионарными клетками с устойчивым и транзиторным ответами. Некоторые ганглионарные клетки сетчатки, реагируя главным образом только на появление стимула, генерируют короткую серию импульсов (пачку спайков) – это клетки с транзиторным ответом. Клетки с устойчивым ответом посылают сигналы в мозг на протяжении всего времени действия стимула. Как вы помните, точно таких же два способа сигнализации используются осязательными нейронами, чтобы сообщить мозгу о прикосновениях к вашей коже.

На разницу между устойчивым и транзиторным ответом налагается еще одно важное различие: одни ганглионарные клетки под действием светового стимула возбуждаются, генерируя короткую или устойчивую череду импульсов, – это клетки с так называемым on-ответом (от английского on – «включено»); другие тормозятся – это клетки с off-ответом (от английского off – «выключено»). Таким образом, мы получаем четыре типа ганглионарных клеток:

● клетки с транзиторным on-ответом;

● клетки с транзиторным off-ответом;

● клетки с устойчивым on-ответом;

● клетки с устойчивым off-ответом.

Что это значит для нашего зрения? Представьте, что вы головной мозг. Ваша задача – на основе последовательности потенциалов действия, поступающих через зрительный нерв, определить, какое событие произошло во внешнем мире.

Клетка с транзиторным ответом реагирует главным образом на первое появление визуального стимула, после чего почти замолкает. По сути, это детектор изменений. Сигналы этого типа клеток почти бесполезны для распознавания лиц в толпе: клетки активизируются всего на несколько сотен миллисекунд – мгновение, за которое глаз не успевает зафиксировать форму глаз, носа, рта и т. д. Поэтому в данном случае ваш мозг полагается на клетки с устойчивым ответом, которые передают ему непрерывный поток информации, когда вы задерживаете взгляд на лице. Теперь представьте другую ситуацию: где-то в вашем поле зрения вдруг мелькает птеродактиль. Ваша сетчатка должна максимально быстро и мощно сообщить об этом мозгу. Это обязанность клеток с транзиторным ответом. Они молчат бо́льшую часть времени, но мгновенно вспыхивают и выстреливают интенсивной пачкой импульсов, чтобы предупредить мозг о внезапном появлении объекта в своем рецептивном поле. Рекламщики знают, что мигающее изображение действует намного сильнее, чем неподвижное, и клетки с транзиторным ответом объясняют почему.

Кроме того, одни клетки реагируют на освещение, другие – на затемнение. С освещением все понятно, но с реагированием на затемнение немного сложнее. Эти два типа реакции называются on-ответом и off-ответом соответственно.

Как было сказано выше, одни ганглионарные клетки активизируются в ответ на увеличение освещенности в пределах их рецептивного поля – их называют on-клетками. Другие – off-клетки – реагируют на ослабление освещенности. Как функционирует данный механизм? Дело в том, что практически каждый видимый объект состоит из более светлых и более темных частей. Рассмотрим простой пример – полосу из двух частей, белой и черной: Представьте, что вы увлеченно читаете этот текст, как вдруг ваш взгляд останавливается на границе между белой и черной полосами. Какие сигналы ганглионарные клетки сетчатки посылают в ваш мозг? В то же мгновение, когда ваш взгляд фиксируется на этой границе, группа ганглионарных клеток с транзиторным on-ответом, отвечающая за восприятие области слева от точки фиксации, посылает в мозг интенсивный поток – пачку – потенциалов действия. Они сообщают вашему мозгу, что в их рецептивном поле появился более светлый, чем фоновая освещенность, объект. Одновременно с этим другая группа ганглионарных клеток – с транзиторным off-ответом, отвечающая за восприятие области справа от точки фиксации, – так же внезапно замолкает.

Да, именно так: мозг получает два потока сигналов, передающих одно и то же сообщение. On-клетки предупреждают мозг о появлении чего-то яркого слева от точки фиксации посредством всплеска импульсов; off-клетки передают то же сообщение – «Здесь появился светлый объект» – посредством снижения электрической активности.

Через несколько десятков миллисекунд ситуация меняется. Клетки с транзиторным ответом сделали свое дело и практически замолкают. Теперь в игру вступают клетки с устойчивым on-ответом: они генерируют стабильный поток потенциалов действия до тех пор, пока ваш взгляд фиксируется на границе между черным и белым. Клетки с устойчивым off-ответом на протяжении всего этого времени тормозятся. Роль ганглионарных клеток с устойчивым ответом очень важна: если бы в нашей сетчатке присутствовали только клетки с транзиторным ответом, светлый объект становился бы для нас невидимым через несколько десятков миллисекунд после попадания в наше поле зрения. Именно клетки с устойчивым ответом дают нам возможность рассмотреть мельчайшие детали внешнего мира, восприятие которых требует чуть больше времени, – и таким образом наделяют нас тем, что мы называем острым зрением.

Одновременно ганглионарные клетки, отвечающие за восприятие области справа от границы, посылают в мозг противоположные сигналы. Ваши клетки с транзиторным off-ответом сигнализируют в мозг, что в пределах их рецептивного поля появился более темный, чем фоновая освещенность, объект; клетки с транзиторным on-ответом реагируют противоположным образом. Через долю секунды эти сигналы пропадают, но клетки с устойчивым ответом продолжают передавать в мозг сообщение: «Этот темный объект все еще там» (on-клетки делают это своим способом, off-клетки – своим, посредством снижения электрической активности). Таким образом, сетчатка посылает в мозг мощный поток сигналов, когда светлый либо темный объект попадает в наше поле зрения: on-клетки реагируют на вкусную рыбку, мерцающую чешуей в темной воде, а off-клетки – на тень птеродактиля с когтистыми лапами, тихо скользящего на вас сверху.

ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ – 2: СЕТЧАТКА УЛУЧШАЕТ ИЗОБРАЖЕНИЕ РЕАЛЬНОГО МИРА

Клетки сетчатки выполняют еще одну важную функцию: они делают четче границы (контуры) объектов в передаваемом в мозг изображении. Обратите внимание, что on-клетки и off-клетки не трансформируют визуальное изображение; они просто сообщают мозгу о светлых и темных его частях. Улучшение границ – совсем другое дело, поскольку исходное изображение передается в мозг не совсем таким, какое оно есть на самом деле. С точки зрения мозга это существенное улучшение, поскольку границы объектов – место, где происходит основное действие и имеется максимум полезной информации.

То, что границы объектов важны, кажется очевидным. Но мало кто знает, что они воплощают в себе фундаментальный принцип, определяющий очень многие аспекты зрительного восприятия. Пиксели в зрительной картине окружающего мира расположены не случайным образом. Внешний мир проявляется в структурах – линиях, углах, кривых, поверхностях. Это означает, что визуальное содержание отдельных пикселей в значительной степени определяется их окружением. По-настоящему случайный визуальный мир выглядел бы как снежащий телеэкран. Наша зрительная система устроена таким образом, чтобы выделять структуры, в которых что-то меняется, и меньше фокусироваться на пространствах, где мало что происходит, – например, на внутренней части однотонной поверхности или на небе.

Такое улучшение границ осуществляется благодаря механизму, известному как латеральное торможение[10]10
  Этот механизм и его открытие хорошо описаны в книге: Dowling, J. E. (2012), The retina: An approachable part of the brain, Cambridge, MA: Harvard University Press.


[Закрыть]. Это фундаментальный процесс для сетчатки глаза, а также для компьютерного зрения. Вернемся еще раз к примеру с черно-белой полосой. Срединные области сплошного черного или белого цвета не содержат много информации. Наибольшее количество информации несет граница между черной и белой областями. Так вот, механизм латерального торможения увеличивает интенсивность реакции ганглионарных клеток, чьи рецептивные поля находятся рядом с этой границей. Благодаря его действию разница между сигналами, поступающими в мозг от «приграничных» областей черной и белой зон, становится гораздо более выраженной, чем могла бы быть в ином случае. Это наглядный пример того, как сетчатка выбирает наиболее важные характеристики визуального мира, о которых следует сообщить мозгу.

В графических редакторах на наших компьютерах и смартфонах для корректировки цифровых изображений используются похожие функции, такие как «повысить контрастность» или «выделить контуры». Применение этих инструментов делает изображение более четким, хотя и, разумеется, не без издержек: за это приходится платить в той или иной мере потерей полутонов. Но иногда оно того стоит.

* * *

Механизм латерального торможения используется во всех сенсорных системах: не только в зрительной, но и в осязательной, слуховой, а также, как предполагают, в обонятельной и вкусовой. Он обнаружен у всех млекопитающих и многих видов беспозвоночных. В этом нет ничего удивительного. Широкое распространение того или иного полезного признака характерно для ранних стадий эволюции: латеральное торможение было одним из первых изобретенных природой эффективных приемов обработки сенсорной информации. Но почему увеличение контрастности контуров так полезно для живых организмов?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим, как механизм латерального торможения влияет на сигналы, посылаемые в мозг всей популяцией ганглионарных клеток сетчатки. На приведенном ниже рисунке показано, как фактическое изображение, падающее на поверхность сетчатки (и воспринимаемое палочками и колбочками фоторецепторов), преобразуется в модифицированный ответ, который передается в мозг ганглионарными клетками.

Вверху показано фактическое изображение: одна его половина – черная, а другая – белая. Внизу приведена амплитуда сигнала, посылаемого ганглионарными клетками в мозг. Обратите внимание: рядом с границей между черной и белой полосами сила сигнала меняется: на белой стороне она возрастает, а на черной, наоборот, снижается еще больше. Для мозга значит, что разница между светлой и темной областями – перепад в сигналах, определяющий наличие границы, – становится более выраженной.

Для простоты в вышеприведенном примере я говорил так, как если бы сетчатка содержала только on-клетки, тогда как в действительности примерно половину всех ганглионарных клеток составляют off-клетки. Их поведение противоположно поведению on-клеток, но общий эффект тот же – увеличение силы дифференциального сигнала рядом с границей. Я не буду утомлять вас пошаговым описанием процесса – у off-клеток все происходит так же, как у on-клеток, только наоборот.

Просто ради интереса задумайтесь вот над чем: если темная область стимула абсолютно черная, а белая область абсолютно белая, значит ли это, что механизм латерального торможения приводит к тому, что черная область рядом с границей выглядит чернее черной, а белая область – белее белой? Теоретически, если темная область стимула идеально черная, а белая – идеально белая, on– и off-клетки по определению функционируют на пределе своих возможностей – они не могут выйти за пределы нуля или 100 %. Но в реальном мире такого не бывает; все части изображения по степени освещенности или затемненности обычно находятся где-то посредине между абсолютными крайними точками. Когда наша зрительная система обнаруживает переход между более светлой и более темной областями, латеральное торможение усиливает дифференциальный сигнал и тем самым – наше восприятие контраста. Этот эффект лежит в основе зрительной иллюзии, известной как полосы Маха: когда две области, светлая и темная, соприкасаются друг с другом, на краю темной области рядом с границей мы видим узкую сверхтемную полосу, а на краю светлой области – такую же сверхсветлую полосу.

Давайте коротко подведем итог: наша сетчатка покрыта четырьмя основными типами детекторов – с транзиторным on-ответом и off-ответом и с устойчивым on-ответом и off-ответом. Каждый из этих четырех типов подвержен влиянию механизма латерального торможения, который увеличивает силу сигнала у края объекта по сравнению с сигналом в середине однообразного поля. Но, как мы узнаем в главе 4, сетчатка устроена гораздо сложнее – или, как выразились авторы одной научной работы, «оказалась умнее, чем думали ученые»[11]11
  Gollisch, T., & Meister, M. (2010), “Eye smarter than scientists believed: neural computations in circuits of the retina”, Neuron, 65, 150–164.


[Закрыть]. Выяснить это исследователи смогли не сразу. Но спустя некоторое время технический прогресс позволил заглянуть в мозг и попытаться понять, что мозг делает с информацией, которую получает от сетчатки глаза.

ДЕЛ ЭЙМС: ИЗОЛИРОВАННАЯ СЕТЧАТКА ВИДИТ

Многие Нобелевские премии по биологии были присуждены, по крайней мере частично, за технические инновации. Но на первые полосы попадали далеко не все прорывные технические изобретения и их авторы. Одним из таких новаторов был Дел Эймс, блестящий ученый, щедрой души человек и мой главный учитель.

Эдельберт (Дел) Эймс III родился в Новой Англии в семье, где было много выдающихся личностей, все их заслуги невозможно перечислить. Первый Эдельберт Эймс, дед Дела, был генералом Армии Союза. Сегодня его помнят как просвещенного губернатора штата Миссисипи в период реконструкции Юга после Гражданской войны. Отец Дела, профессор Дартмутского университета, прославился открытием искажающего влияния окружающей среды на восприятие объектов. Возможно, вы слышали о «комнате Эймса» или даже посещали такой аттракцион на ярмарке – это помещение особой конструкции, создающей ложную перспективу, из-за чего внешнему наблюдателю кажется, будто перемещающийся по комнате человек превращается то в карлика, то в гиганта. (Отец Дела также был талантливым скульптором-любителем. Вылепленную им благородную голову индейского вождя – символ банка Shawmut – в те времена можно было увидеть в центре многих городов Новой Англии.)

Дел, высокий худощавый янки, сложением напоминавший Теодора Рузвельта (на внучке которого Дел женился), был заядлым туристом, охотником и рыболовом, смельчаком. Он дожил до 97 лет, но и за год до смерти его часто видели бегущим на лыжах. В студенческие годы Дел входил в лыжную команду Гарвардского университета и затем всю жизнь участвовал в лыжных гонках. В молодости он вместе с университетскими друзьями построил планер. Их безмоторный летательный аппарат разгонялся за счет буксировки автомобилем и после первоначального набора высоты держался в воздухе благодаря восходящим воздушным потокам. Никто из них не умел управлять таким судном, поэтому Дел совершил первый полет и научил остальных. Спустя годы Дел помог своему сыну Дэвиду построить копию того первого планера из легкого деревянного каркаса и перетяжек. Я присутствовал при его запуске. Дэвид бежал по склону холма возле их дома в Конкорде и, когда планер достаточно разогнался, вспрыгнул в него и занял лежачее положение пилота. Машина поднялась на высоту около четырех метров, после чего из-за ошибки пилотирования потеряла скорость – крылья треснули, и планер рухнул на землю.

Вторая мировая война прервала учебу Эймса в Гарвардском университете, где он успел проучиться три года и откуда его в срочном порядке направили в медицинский институт. Впоследствии он даже с некоторой гордостью хвастался тем, что у него нет университетского образования. В Гарварде ему отказались выдать диплом, ограничившись вручением справки о «посещении» лекций. Военные обратили внимание на успехи Дела в изучении медицины, явный научный талант и любовь к холоду и командировали его в Фэрбенкс на Аляске, чтобы заняться исследованиями специфики ведения боевых действий в зимних условиях. Там он пережил один из самых морозных дней за всю историю наблюдений, когда температура воздуха опустилась до –64 ℃. Среди задач, которые военные поставили перед Делом, был поиск наиболее эффективных способов отогревания летчиков и моряков, подвергшихся сильному переохлаждению (как известно, тем же самым занимался печально знаменитый нацистский врач Йозеф Менгеле в концлагерях).

Группа Эймса сделала ряд удивительных открытий. Эксперимент начинался с того, что добровольца погружали в ванну с ледяной водой. Когда температура его тела падала на несколько градусов, испытуемого доставали из воды и согревали. При снижении температуры внутренней части тела до 35 ℃ у человека наступает переохлаждение; понижение еще на несколько градусов ведет к сильной дрожи и болезненному сокращению кровеносных сосудов в руках и ногах, а дальнейшее ее падение грозит смертью. Исследователям нужно было сравнить различные способы согревания жертв гипотермии.

Оказалось, вспоминал Эймс, что некоторые традиционные способы согревания имели серьезные недостатки. Например, если поместить переохладившегося человека в теплую комнату и дать ему стакан бренди, его температура не поднимется, а упадет еще больше. Причина этого парадокса кроется в обычной физике. Даже в очень теплой комнате температура воздуха обычно составляет около 26–27 ℃. При этом температура даже сильно замерзшего человека близка к 35 ℃. Алкоголь расширяет поверхностные кровеносные сосуды, что вызывает приток крови к поверхности кожи, которая соприкасается с более прохладным воздухом (мало кто разогревает комнату до температуры выше 35 ℃). Другими словами, алкоголь стимулирует теплообмен, в результате чего тело замерзшего человека отдает драгоценное тепло окружающей среде, что только усугубляет ситуацию. (Лучший способ – поместить человека под горячий душ.)

После войны Эймс завершил медицинское образование в Колумбийском университете и вернулся в Гарвард, чтобы попробовать себя на исследовательском поприще. Он не сразу занялся нейробиологией, а устроился стажером в лабораторию доктора Бэрда Хейстингса, заведующего кафедрой биологической химии в Гарвардской медицинской школе. Независимый мыслитель, Эймс решил найти способ изолировать нервную ткань для ее изучения. Проще говоря, он хотел вывести мозг за пределы черепной коробки, чтобы его легче было исследовать. Идея была радикальной, и доктор Хейстингс уверенно заявил, что ничего не выйдет, однако Эймс проанализировал метаболизм нейронов и не нашел в нем ничего такого, что помешало бы ему осуществить свою затею.

В те времена в нейробиологии доминировали клинические неврологи, которые были убеждены, что нейроны мозга – чрезвычайно нежны и уязвимы и могут нормально функционировать только в своей привычной среде внутри надежно защищающей их черепной коробки. У медиков были весомые основания так считать. Они знали, что нарушение питания мозга даже на несколько минут ведет к его необратимым повреждениям. При остановке сердца потеря сознания происходит через считаные секунды, и, если не восстановить кровообращение в течение следующих нескольких минут, мозг пациента (и, следовательно, сам пациент) умирает или впадает в вегетативное состояние.

Эймс заинтересовался метаболизмом мозга еще на Аляске. Нейроны действительно требуют очень много энергии – в этом они превосходят практически любую другую ткань организма. Мозг весом всего один – два килограмма потребляет около 20 % общих энергетических ресурсов нашего тела. Вот почему кровоснабжение мозга очень интенсивно; питание его тканей осуществляется через чрезвычайно разветвленную сеть капилляров. Питательные вещества от капилляров к нейронам и продукты клеточной жизнедеятельности в обратном направлении переносятся посредством пассивного транспорта (диффузии). Но диффузия хорошо работает только на очень коротких расстояниях, поэтому мозг опутан частой сетью тончайших капилляров. Студентов-медиков учат тому, что мозговой нейрон может находиться от капилляра на расстоянии не дальше 0,2 мм. Чтобы вам легче было представить: плотность капиллярной сети больше, чем у плетения ткани в обычной простыне.

Эймс задался вопросом, есть ли в нашей центральной нервной системе такое место, где нейроны можно изолировать от окружающих неневральных клеток. В конце концов он нашел такое место – сетчатка. Неспециалисты редко знают о том, что центральная нервная система состоит не только из головного мозга, но и спинного мозга и сетчатки. Эти три структуры имеют сходное эмбриологическое происхождение и образованы из одинаковых видов нейронов и вспомогательных клеток. Все они защищены гематоэнцефалическим барьером – комплексным механизмом, который сохраняет внутри них особую химическую среду, обособленную от остального организма. Большинство нейронов сетчатки и спинного мозга являются полноценными нейронами. Взятые в отдельности нейроны сетчатки (кроме палочек и колбочек) даже для большинства нейробиологов неотличимы от нейронов, находящихся в других частях центральной нервной системы.

Но сетчатка сталкивается с одной проблемой, которой нет у других структур центральной нервной системы: ей нужно воспринимать свет. Если сетчатку пронизать обычной сетью артерий, вен и капилляров, эти сосуды и несомая ими кровь будут преграждать путь свету. В результате мы бы видели мир словно через плотную москитную сетку на окне. Однако эволюция нашла удачный способ решить эту проблему. Сетчатка представляет собой тонкий пласт клеток толщиной обычно не больше 0,3 мм. Благодаря этому бо́льшая его часть находится в пределах досягаемости для диффузии с одной стороны. Сетчатку пронизывает несколько кровеносных сосудов, которые обеспечивают питание самых дальних ее слоев, но основным источником питания служит густая сеть кровеносных сосудов, расположенная снаружи сетчатки в виде сосудистой оболочки.

Эймсу играло на руку и то, что у большинства млекопитающих сетчатка неплотно связана с этим нижележащим слоем и довольно легко от него отделяется. Вот почему отслойка сетчатки – распространенный риск при некоторых заболеваниях или травмах, таких как попадание в глаз хоккейной шайбы или теннисного мяча. Но сама отслаивающаяся сетчатка при этом остается неповрежденной, поэтому, если вовремя вернуть ее на место посредством хирургического вмешательства, пострадавшая сетчатка (и зрение) вскоре восстанавливается.

Эймс разработал формулу искусственного раствора, имитирующего спинномозговую жидкость, которая омывает центральную нервную систему. В ходе своих экспериментов ученый быстро вынимал глаз у находившегося под наркозом животного (его потом усыпляли, пока действие наркоза не прошло), разрезал глаз и осторожно отделял сетчатку, оставляя ее висеть на зрительном нерве. Потом нерв перерезался. Так Эймс получал изолированную сетчатку – тончайшую, почти прозрачную полусферу, бледно-розовую в неподвижном состоянии и становившуюся серебристой при облучении светом. Плавающая в чашке Петри, она была похожа на кусочек намокшей салфетки Kleenex размером с чайную ложку.

Почти по всем параметрам изолированная сетчатка является живой. Она продолжает потреблять кислород и глюкозу, синтезирует новые белки, выделяет продукты обмена веществ. Нейроны сетчатки сохраняют электрическую активность. В течение следующих нескольких лет Эймс и его коллеги доказали, что изолированная сетчатка ведет себя именно так, как предположительно должна вести себя нервная ткань головного мозга. И, что самое главное, она реагирует на свет точно так же, как сетчатка в глазу живого существа.

В последующие годы метод Дела переняли все нейробиологи, и к 1980 г. почти никто не исследовал сетчатку непосредственно на животных. Более того, оказалось, что многие другие образцы нервной ткани тоже могут быть изолированы и существовать вне организма при правильной инкубации. Разработанный Делом специальный инкубационный раствор, известный как «транспортная среда Эймса», теперь продается компанией Sigma-Aldrich, ведущим поставщиком лабораторных химикатов[12]12
  «Транспортная среда Эймса», спустя почти полвека после изобретения, значится как артикул A1420 в каталоге химической компании Sigma-Aldrich за 2018 г.


[Закрыть]. По моим весьма приблизительным подсчетам, за последние 40 лет они продали около 300 000 л этого раствора, что достаточно для того, чтобы спустить на воду фрегат ВМС США. (Эймс никогда не требовал роялти или каких-либо других выплат за свое изобретение. Впоследствии, когда ему была нужна для экспериментов «транспортная среда Эймса», он за деньги покупал ее у Sigma-Aldrich.)

ЗАВЕСА ПРИОТКРЫВАЕТСЯ

Меня заинтересовала технология Эймса, и по окончании магистратуры я добился, чтобы меня приняли научным сотрудником в его гарвардскую лабораторию. Эксперименты, которые я проводил под руководством Эймса, могли бы служить отличным базовым введением к курсу биологии восприятия. В них не было ничего новомодного, ничего «нобелевского» – просто реальная наука, небольшой, но важный шаг вперед, который открывал путь к новому пониманию.

Мы с Эймсом хотели узнать, как работает нейронная сеть сетчатки – проникнуть внутрь сетчатки и понять, каким образом происходит передача сигналов от внутренних нейронов к ганглионарным клеткам, которые в итоге формируют зрительное сообщение для головного мозга. Чтобы узнать это, мы собирались воздействовать на синапсы нейронов с помощью различных веществ, нацеленных на конкретные типы синапсов. Проще говоря, мы хотели оказать точно выверенное химическое воздействие на систему и посмотреть, как она отреагирует.

Первым шагом на пути к нашей цели было узнать, какие именно нейромедиаторы и каким образом используются в сетчатке. Нейроны сетчатки связаны десятками видов синапсов, и мы хотели детально изучить работу этой системы – простимулировать отдельные синапсы и посмотреть, как меняется выходной сигнал сетчатки. Например, существуют ли конкретные нейромедиаторы, отвечающие за передачу только on-ответов или только off-ответов? Какие нейромедиаторы вовлечены в способность сетчатки воспринимать движущиеся стимулы? Не приведет ли это к открытию механизма, который кажется магическим и посредством которого небольшая группа нейронов в сетчатке определяет направление движения стимула?

Сама схема эксперимента была довольно простой. Глядя через микроскоп, я осторожно опускал микроэлектрод, пока его кончик не касался поверхности сетчатки. Если мне везло, ганглионарная клетка издавала легкий хлопок (мы выявляем активность нейронов, усиливая слабый сигнал, улавливаемый микроэлектродом). Если нет, я осторожно перемещал микроэлектрод влево или вправо, внимательно слушая, когда появится отчетливая последовательность электрических разрядов. Когда клетка была надежно изолирована, я включал примитивный оптический стимулятор с воздушным охлаждением, который излучал на сетчатку точечное пятно света. Во время вспышек света я прислушивался к тому, как реагирует клетка. Изучив параметры ее ответа, я вводил через боковой отвод тестовые реагенты и смотрел, изменилась ли реакция. Все это делалось почти в полной темноте, при тусклом красном освещении подобном свету ночника, чтобы минимизировать непреднамеренное раздражение сетчатки. Звуковым фоном служило шипение воздуха в вентиляции и потрескивание фоновых разрядов – нейронного шума.

И да, забыл сказать, что воздух в комнате был нагрет до температуры тела кролика (37,2 ℃). Когда Дел разрабатывал оригинальный эксперимент, он не знал, какие условия необходимы, чтобы ткань оставалась живой вне организма. Ему показалось логичным предположить, что одно из ключевых требований – держать изолированную сетчатку в таких же температурных условиях, которые существуют в кроличьем глазу. Но сетчатка инкубировалась в проточном растворе, в который вводилась струя кислорода. Так как же гарантировать поддержание стабильной температуры в инкубационной чашке? Всегда дотошный, Дел нашел простое решение: создать среду, в которой всё – сетчатка, растворы, воздух – имело температуру тела кролика, 37,2 ℃. По его заказу в лаборатории построили небольшую «теплую комнату», которая нагревалась внешними обогревателями до любой необходимой температуры. Зимой, когда воздух был сухим, находиться 12 часов подряд в крошечной комнатушке, нагретой до 37,2 ℃, не составляло труда. Куда сложнее нам приходилось летом, когда воздух насыщался влагой. (Когда я создал собственную лабораторию, чуть ли первым делом задался целью найти другой способ контролировать температуру.)

В те времена было известно всего несколько видов нейромедиаторов. Как показал грубый химический анализ, все они присутствовали в сетчатке. Заинтригованные, мы решили использовать эти вещества в качестве нейрональных маркеров, которые помогли бы нам идентифицировать клетки. Исходя из предположения, что разные функциональные типы нейронов должны использовать разные нейромедиаторы, мы решили, что изучение действия этих медиаторов укажет нам на то, какие клетки сетчатки выполняют специализированные функции.

Самым хорошо изученным на тот момент нейромедиатором являлся ацетилхолин. Было установлено, что сетчатка содержит чрезвычайно высокий уровень ацетилхолина: его концентрация здесь выше, чем практически в любой другой структуре нервной системы. Предварительные эксперименты Эймса и Дэниела Поллена показали, что некоторые ганглионарные клетки реагируют на действие ацетилхолина. И поскольку этот медиатор открыли довольно давно, уже было разработано множество препаратов, влияющих на опосредованные ацетилхолином синапсы.

Практически сразу я обнаружил, что многие ганглионарные клетки сетчатки действительно возбуждались под действием ацетилхолина или ацетилхолиноподобных веществ. Они показывали стабильный ответ, возбуждаясь не только ацетилхолином, но и агентами, усиливающими его действие. Другие ганглионарные клетки не реагировали на ацетилхолин. Но выявить в их реакциях / отсутствии реакций какую-либо явную закономерность мне не удалось. Я предположил, что on-клетки должны быть более чувствительны к ацетилхолину, чем off-клетки, но экспериментальные данные не дали этому надежного подтверждения (из-за недостатков, как я теперь понимаю, тогдашней системы классификации ответов).