Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Прослышав, что в Голландии изобрели телескоп, Галилей быстренько смастерил собственный. Он экспериментировал с различными линзами, научился самостоятельно шлифовать стекло и в конце концов стал конструировать лучшие телескопы в тогдашнем мире. Эта деятельность позволила ему занять уникальное положение, благодаря которому он мог совершать астрономические открытия эффективнее, чем коллеги: ведь у него появилась возможность изучать небосвод с помощью прибора, которого у них не было. Если вы – ученый, покупающий необходимые для работы приборы, вы можете обойти своих конкурентов, добиваясь большего финансирования, чем они. Но еще сильнее вы их обгоните, если сами сконструируете прибор, который не купить ни за какие деньги.

Допустим, вы придумали гениальный эксперимент. Как узнать, осуществил его уже кто-нибудь или нет? Справьтесь в литературе. Если никто его не делал, лучше хорошенько подумать, отчего это так. Может быть, это не такая уж и гениальная идея. А может быть, его не проводили лишь потому, что тогда не существовало нужных технологий. И если вам посчастливится получить доступ к соответствующей аппаратуре, то вы, быть может, сумеете провести этот эксперимент первым в истории.

Моя гипотеза эффективности науки объясняет, почему некоторые ученые проводят основную часть времени, разрабатывая новые технологии, а не полагаясь на те, которые они могут приобрести за деньги. Таким путем они пытаются добиться «нечестного преимущества». В своем трактате «Новый органон» (1620) Фрэнсис Бэкон писал:

Было бы неразумной фантазией утверждать, будто нечто такое, что еще никогда не совершалось, может быть совершено без помощи средств, каковые еще не были никогда испробованы.

В таком утверждении кроется противоречие.

Я бы усилил эту максиму:

Стоящие вещи, которых пока никто не сделал, можно сделать лишь с помощью средств, которые пока не существуют.

Именно в период возникновения таких новых средств – когда изобретаются новые технологии – мы наблюдаем революционные скачки в науке.

Чтобы находить коннектомы, нам нужно создать устройства, позволяющие получать четкие изображения нейронов и синапсов в обширном поле зрения. Это откроет новую главу в истории нейронауки, которую, быть может, лучше рассматривать не как ряд великих идей, а как череду великих открытий, каждое из которых позволяло перескочить некогда считавшийся непреодолимым барьер, мешавший наблюдать те или иные свойства мозга. Сегодня утверждение, что мозг состоит из нейронов, кажется банальным, однако путь к этой идее оказался весьма тернист. По элементарной причине – долгое время нейроны попросту не удавалось разглядеть.

В 1677 году Антони ван Левенгук, голландский купец, торговавший сукном, а позже ставший ученым, первым в мире увидел живой сперматозоид. Левенгук, совершив свое открытие с помощью самодельного микроскопа, не до конца осознал его важность: он не доказал, что именно сперматозоиды (а не семенная жидкость, в которой они плавают) являются репродуктивными агентами. И он понятия не имел о процессе оплодотворения, в ходе которого соединяются яйцеклетка и сперматозоид. Однако Левенгук вымостил путь для своих последователей, и в этом смысле его работа знаменует собой начало новой эпохи в науке.

Три года спустя Левенгук рассматривал в свой микроскоп каплю озерной воды. Он увидел движущиеся в ней крошечные объекты и решил, что они живые. Ученый нарек их анималькулами («маленькими зверьками») и написал о них в лондонское Королевское научное общество. Ныне мы привыкли к мысли о существовании микроорганизмов, и нам трудно вообразить, как потрясли они современников великого голландца. В то время сообщения Левенгука сочли столь фантастическими, что его даже заподозрили в фальсификации научных результатов. Чтобы развеять эти опасения, он направил в Королевское научное общество письма с «показаниями» восьми свидетелей, в том числе трех священников, адвоката и врача. Спустя несколько лет его открытие наконец признали, а затем Левенгук был удостоен высокой чести – он стал членом Королевского общества.

Иногда Левенгука именуют отцом микробиологии. В XIX веке эта область науки приобрела громадное практическое значение: именно тогда Луи Пастер и Роберт Кох продемонстрировали, что микробы могут служить причиной болезней. Микробиология, в свою очередь, сыграла решающую роль в развитии клеточной теории, краеугольного камня современной биологии. Согласно основным положениям этой теории, сформулированным еще в XIX столетии, все организмы состоят из клеток. Микроорганизмы же состоят всего из одной клетки.

Большинство членов Королевского научного общества обладали неплохим достатком и потому – досугом для интеллектуальных занятий. Левенгук родился в небогатом семействе, но к сорока годам он уже имел достаточно большой доход, чтобы уделять время науке. Он не учился в университете, не знал ни латыни, ни греческого. Каким же образом этот самоучка скромного происхождения достиг столь многого?

Левенгук не изобретал микроскопа: эта честь принадлежит мастерам-оптикам, трудившимся в конце XVI века. Как и современные микроскопы, первые такие приборы являлись, по сути, комбинацией многочисленных линз, но давали увеличение всего в 20–50 раз. Между тем устройства Левенгука десятикратно улучшили этот показатель с помощью всего одной линзы, но очень мощной. Мы толком не знаем, как он научился делать такие замечательные линзы: голландец хранил свои методы в секрете. Это и было «несправедливым преимуществом» Левенгука: он делал микроскопы лучше, чем его коллеги и конкуренты.

Со смертью Левенгука его методы оказались утрачены. Позже, уже в XVIII столетии, благодаря техническим усовершенствованиям удалось сконструировать многолинзовый («комбинированный») микроскоп мощнее левенгуковского. Ученые смогли подробнее разглядеть строение растительных и животных тканей, что привело к повсеместному признанию клеточной теории в XIX веке. Однако эта теория начинала буксовать, когда ученые пытались описать с ее помощью мозг. Микроскописты могли увидеть тела нейронов и ветви, которые тянутся между ними. Но уже на небольшом расстоянии от тела клетки они теряли следы отдельных отростков, видя лишь плотную мешанину ветвей. Никто не знал, что происходит там, вдали от тела нейронной клетки.

Проблему помогло решить еще одно революционное открытие. Его совершил во второй половине XIX века итальянский врач Камилло Гольджи. Он разработал особый метод окрашивания мозговой ткани, благодаря которому удавалось пометить небольшое количество нейронов: при этом основная их часть оставалась неокрашенной и, следовательно, как бы невидимой для исследователя. Рис. 26 может показаться вам слишком «перенаселенным», однако на нем все-таки видны очертания лишь отдельных нейронов. Научный соперник Гольджи, итальянский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль, наверняка наблюдал что-то такое в собственный микроскоп, когда рисовал картинку, показанную на рис. 1.

Метод, разработанный Гольджи, необычайно продвинул науку вперед. Чтобы оценить это продвижение, давайте представим себе, что ветви нейронов – это переплетенные спагетти. (Я уже предлагал такое сравнение, но сейчас оно кажется особенно уместным, если учесть итальянское происхождение нашего изобретателя.) Повар, страдающий сильной близорукостью, увидит на тарелке лишь сплошную желтую массу, отдельные макаронные нити будут расплываться у него перед глазами, и он не сумеет их различить. А теперь представьте, что среди этих нитей затесалась одна темная (рис. 27, слева). Даже при слабом зрении вы сумеете проследить ее путь (рис. 27, справа).

Рис. 26. Нейроны коры головного мозга обезьяны, окрашенные по методу Гольджи

Как изобретение микроскоп смотрится шикарнее каких-то там методов окрашиваний и пятен. Его металлические и стеклянные детали впечатляют, этот прибор можно конструировать с учетом законов оптики. А на пятно не стоит и глядеть, оно наверняка и пахнет-то скверно. Пятна обнаруживают скорее случайно, чем путем планомерной работы. Мы ведь даже не знаем, почему при окрашевании методом Гольджи выявляется лишь небольшая доля нейронов. Мы знаем лишь, что метод Гольджи эффективен. Как бы там ни было, окрашивание по методу Гольджи и другие сходные процедуры сыграли важную роль в истории нейронауки. «Мозг понятен, когда в нем много темных пятен», – шутят нейроанатомы. Просто пятна Гольджи стали наиболее известными.

Рис. 27. Пример эффективности окрашивания по методу Гольджи: спагетти до (слева) и после (справа) оптического размывания