Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия - Ричард Маслэнд

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.