Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия - Ричард Маслэнд

Помните вопрос, с которого мы начали это исследование? Если 24 % всех амакриновых клеток, которые мы идентифицировали, относятся к специфическим редким типам таких клеток, то каковы тогда обычные амакриновые клетки? К нашему большому удивлению, ответ заключался в том, что обычных амакриновых клеток не существует.

Что это значит? Мы ожидали обнаружить среди амакриновых клеток несколько основных крупных групп, дополненных малочисленными группами специализированных клеток. Но вместо этого оказалось, что амакриновые клетки довольно равномерно распределены среди разнообразного набора клеточных типов. А это предполагало, что все они играют одинаково важную роль в обработке визуальной информации. Наш вывод, который мы (с небольшими трудностями) опубликовали в ведущем научном журнале, заключался в том, что в сетчатке существует 29 различных типов амакриновых клеток, каждый из которых выполняет свою специфическую функцию по обработке визуального изображения.

Почему это короткое заключение заслуживает особого внимания? Оказалось, в нем крылся важный ключ к разгадке того, как работает сетчатка. Зачем сетчатке нужны целых 29 типов амакриновых клеток? Ответ напрашивался сам собой: в сетчатке происходит гораздо больше обработки информации, чем считалось раньше. Амакриновые клетки генерируют основной выход для ганглионарных клеток, которые являются последним звеном цепи перед отправкой зрительных сообщений в головной мозг. Если амакриновые клетки так разнообразны, значит, сообщения должны быть такими же разнообразными. Это был важный шаг вперед к пониманию того, как работает зрительное восприятие.

НЕЙРОНЫ-ПРИЗРАКИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ): БИПОЛЯРНЫЕ КЛЕТКИ

Пока мы занимались амакриновыми клетками, наши коллеги изучали другие компоненты микросхемы сетчатки. Главным пробелом в нашей базе знаний были биполярные клетки. Как вы помните, биполярная клетка получает синаптический вход от нескольких фоторецепторных клеток и передает выходной сигнал через амакриновую клетку в ганглионарную. Биполяры являются важнейшим элементом сетчатки. Если удалить из сетчатки все амакриновые клетки, после некоторой перестройки она все равно сможет функционировать благодаря ганглионарным клеткам с транзиторным и устойчивым ответами, хотя изображение будет не таким контрастным и пропадет избирательность в отношении направления. Другими словами, человек без амакриновых клеток все равно будет видеть, но его зрение окажется расплывчатым и замедленным. Если убрать биполярные клетки, сетчатка сможет сообщать мозгу только о наступлении дня и ночи благодаря примитивной функции, выполняемой подгруппой органически светочувствительных ганглионарных клеток.

Все вы слышали о научных прорывах, когда новое открытие или идея внезапно, подобно молнии среди ясного неба, меняли целые области науки. Но гораздо чаще наука движется вперед путем постепенного приращения: по мере накопления данных возможность превращается в вероятность, которая в конце концов трансформируется в факт. Так было и в случае с нашим пониманием биполярных клеток.

Первые системные исследования с регистрацией электрической активности биполярных клеток, проведенные Акимити Канеко, Фрэнком Верблином и Джоном Даулингом, показали существование четырех типов клеток: с транзиторными on– и off-ответами и устойчивыми on– и off-ответами. Казалось логичным предположить, что эти четыре физических типа биполярных клеток соответствуют четырем аналогичным типам ганглионарных клеток.

Но, как и в случае амакриновых клеток, имелись весомые основания подозревать, что это далеко не все разновидности биполярных клеток, которые существуют в сетчатке. В середине 1990-х гг. исследованием биполярных клеток занимались четыре – пять лабораторий, и по их оценкам количество типов таких клеток варьировалось от четырех до девяти. Мы с моей лабораторией присоединились к этой работе довольно поздно с тайной надеждой на то, что накопленная другими база знаний позволит нам понять организацию биполярных клеток. Но, как оказалось, эта база знаний включала в себя слишком много несистематических данных в духе коллекционирования бабочек: небольшая выборка клеток здесь, небольшая выборка там. Поэтому наш набор вопросов был совершенно иным. Во-первых, существуют ли типы биполярных клеток, которые не удалось обнаружить с помощью ранее использованных методов окрашивания? Во-вторых, существует ли среди биполярных клеток разделение на основные, доминирующие группы и малочисленные группы вспомогательных клеток? Или же все типы биполярных клеток более-менее равны?

Чтобы ответить на вопрос, мы объединились с Элио Равиолой. Некоторое время назад он провел потрясающую серию экспериментов с окрашиванием клеток сетчатки, но эти снимки пылились в нижнем ящике его рабочего стола^[15]. Один из его студентов провел предварительный анализ, но Элио решил не продолжать работу, потому что, будучи перфекционистом, остро осознавал несовершенство оборудования. В частности, он считал, что ему удалось окрасить далеко не все биполярные клетки.

У нашей лаборатории имелось два важных преимущества. Во-первых, метод фотозаполнения, который позволял получить надежную и всеобъемлющую выборку биполярных клеток. Во-вторых, у нас была Маргарет Макнил, которая к тому времени стала мастером трехмерной визуализации нейронов. Сделанные ею снимки были нашей тайной гордостью. Мы, нейроанатомы, любим красивые фотографии нейронов – нам кажется, что в них кроется что-то мистическое, открывающаяся нашему взору частица Истины.

Наконец, у нас имелся еще один ценнейший набор данных для идентификации клеток: снимки биполярных клеток, в которые были микроинъектированы маркерные молекулы после того, как были изучены их электрические ответы. Эта работа была проделана нашим другом Рэем Дашё из Алабамского университета. Знание того, как клетки реагируют на свет, было важным дополнением, поскольку реакции клеток оказались такими же разнообразными и характерными, как и их формы. Каждый из трех методов – окрашивание, фотозаполнение и микроинъекции – имел свою специфику, и мы надеялись, что ни одному типу клеток не удастся ускользнуть от всех трех детекторов. Итак, объединив все три вида данных, мы с уверенностью пришли к выводу, что существует целых 13 типов биполярных клеток. Вот они, нарисованные рукой Элио:

Этот рисунок подчеркивает определяющую особенность форм биполярных клеток – глубину их аксонных деревьев. Как и другие лаборатории, мы обнаружили, что главная отличительная черта биполярных клеток – конкретный уровень в синаптическом слое сетчатки, на котором разветвляются их аксоны. Как вы видели на рисунке амакриновых клеток, глубина погружения во внутренний синаптический слой сетчатки влияет на то, с какими типами других игроков – амакриновых и ганглионарных клеток – контактирует эта конкретная биполярная клетка.