Искусные адаптации. Крот-звездонос, электрический угорь и другие чудеса эволюции - Кеннет Катания

в пятом издании учебника «От нейрона к мозгу» теперь сопровождается снимками не только баррельной коры мыши, но и неокортекса звездоноса. Авторы книги и не подозревают, что на открытие меня вдохновило одно из ее предыдущих изданий.

Нейрокомната смеха

Узор на неокортексе крота дал тот же эффект, что и изображения звезды, полученные с помощью электронного микроскопа. Он стал очередной хлебной крошкой на пути к следующему вопросу. И даже не просто крошкой, а целой горбушкой хлеба. Едва взглянув на карту звезды, я заметил кое-что требующее объяснения: один из сегментов занимал непропорционально большую часть карты. Несоответствие было столь явным, что поначалу мы пришли в замешательство. Мы ожидали (или по крайней мере надеялись) увидеть на неокортексе одиннадцать полос – по полосе на каждый отросток на противоположной стороне звезды. Но мы увидели десять примерно одинаковых полос и одну гигантскую – причем на месте самого маленького, одиннадцатого отростка. Что бы это могло значить? Чтобы ответить на этот вопрос, мы зарегистрировали электрическую активность мозга звездоноса, и огромная полоса действительно оказалась проекцией одиннадцатого отростка. То, что мы наблюдали, называется кортикальным увеличением.

Кортикальное увеличение – это, можно сказать, то, как мозг «видит» тело, а видит он его совсем не так, как мы. Это больше похоже на отражение в кривом зеркале, которое значительно искажает пропорции. У человека огромную часть соматосенсорной карты занимают кисти рук, потому что на их коже очень много сенсорных нейронов. А вот на туловище, ноги и предплечья, гораздо менее важные для осязания (никто не может читать шрифт Брайля, например, локтем), приходится куда меньше места. Как вы могли догадаться, в результате регистрации электрической активности мозга звездоноса мы получили «кротункулуса» с гигантской звездой и огромными передними конечностями.

Описанное выше не так уж и удивительно; логично, что мозг отводит больше места для более важных частей тела. Но особое выделение одного сегмента звезды оказалось новой загадкой. Одиннадцатый сегмент занимает 25 % карты, но соответствует самому маленькому из отростков, на котором сравнительно немного органов Эймера3. Почему же именно этот отросток так важен для кротовьего мозга? Чтобы получить ответ, я внимательнее присмотрелся к поведению звездоноса и добрался до самых основ.

2.5. Пропорции частей тела животных в соматосенсорных картах неокортекса. Увеличение проекций важных для осязания частей тела называется кортикальным увеличением

Звездонос, известный, помимо прочего, своим инопланетным видом и непостижимым образом жизни, делает ровно то, что сейчас делаете вы. Читая эти строки, вы переводите глаза с одного слова на другое. Если вы задержите взгляд, скажем, на точке в конце этого предложения, вы не сможете читать дальше. Попробуйте сделать это несколько раз, и вы абсолютно четко (или абсолютно нечетко) осознаете, что в вашем глазу есть маленький центр с высоким разрешением (центральная ямка сетчатки) и гораздо бо́льшая окружающая его область с низким разрешением. Мы сканируем пространство вокруг нас в низком разрешении и переводим взгляд на то, что хотим рассмотреть повнимательнее, используя высокое разрешение.

То же самое делает звездонос – только вместо зрительной «ямки» у него тактильная. Дотронувшись до чего-то интересного, и особенно съедобного, отростками каждой половины звезды с первого по десятый, он вдруг переключается только на одиннадцатую пару3. Такие движения звезды очень похожи на движения глазных яблок. У человека на перевод взгляда уходит около одной двадцатой секунды, у звездоноса – примерно столько же.

Вы, наверное, уже догадались, что центральной ямке в нашей зрительной коре отводится гораздо больше места, чем более крупным, но менее важным периферическим областям. Это позволяет эффективнее использовать ресурсы мозга, так что неудивительно, что эволюция пришла к одинаковому решению для людей и кротов (и многих других животных). Вместо высокой разрешающей способности всего органа чувств, что потребовало бы большего объема неокортекса для обработки сигнала, детально анализируется только небольшая зона. Получается своеобразный сенсорный фонарик, ярко и четко освещающий центр и тускло обозначающий периферию.

Как обычно, новое открытие привело к новому вопросу. Как такая маленькая часть тела животного отвоевала такую большую часть соматосенсорной карты? Это вопрос к самой сути нейробиологии, поскольку, ответив на него, можно понять, как то или иное млекопитающее эволюционировало, развивая свои способности. В неокортексе животных, полагающихся на зрение, отводится много места глазам; летучие мыши специализируются на эхолокации – и в их неокортексе доминируют органы слуха; а в неокортексе звездоноса главными стали органы осязания. Но чтобы выяснить, как формируется в новой коре такое распределение, нужно изучить развитие животного на ранних стадиях. Я должен был исследовать эмбрионы звездоноса, и это вывело меня на следующий уровень неизведанного.

Жуткое звездодействие[7]

К тому времени я уже защитил диссертацию и работал научным сотрудником в лаборатории Джона Кааса в Университете Вандербильта, так что располагал всем оборудованием, необходимым для изучения неокортекса. Но для исследования эмбрионов требовался сканирующий электронный микроскоп, который находился в Калифорнийском университете. К счастью, я как раз собирался в Сан-Диего на конференцию, так что позвонил своему приятелю по магистратуре – специалисту по микроскопам Чарльзу Грэму – и спросил, смогу ли я воспользоваться прибором. Технические специалисты лабораторий – это невоспетые герои науки, пусть даже они выполняют столь важную преподавательскую миссию неофициально. Чарльз был моим вторым пилотом, пока я учился обращаться с микроскопом, и он научил меня решать любые проблемы. Но в этот раз проблема была не по технической части: дело в том, что почти все время микроскоп был занят.

«Я тебе доверяю, – сказал он мне по телефону. – Если хочешь, приходи ночью, я дам ключи». Его неоценимая помощь сэкономила мне месяцы, которые могли бы уйти на поиск другого аппарата и на обучение работе с ним.

Когда я наконец приготовил образцы и устроился перед мониторами, было далеко за полночь. В здании было темно, пусто и тихо. Я, как обычно, выключил свет, чтобы лучше видеть изображения. Расположенный рядом прибор, который покрывает препараты золотом, мерцал фиолетовым светом, а из емкости с жидким азотом, охлаждающим микроскоп, то и дело вырывались клубы холодного пара. Все это очень напоминало первые кадры научно-фантастического фильма.

Это может показаться глупым, когда вы сидите в ярко освещенном помещении, но многие взрослые люди боятся темноты (и узнают об этом только в полевых условиях). Мне пришлось преодолеть этот страх еще в зоопарке, и довольно быстро. И я никогда бы не подумал, что испытаю ужас, увидев изображение на мониторе микроскопа. Но именно это произошло, когда я нагрел нить и сфокусировал луч на первом эмбрионе