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

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

Развитие науки может надолго затормозиться, если нет соответствующей технологии. Без нужной информации научный прогресс невозможен, и неважно, сколько умников работает над решением проблемы. В XIX веке долго тщились по-настоящему разглядеть нейроны, и наконец Гольджи разработал свой метод, который вскоре начал весьма охотно использовать не кто иной, как Кахаль. В 1906 году Гольджи с Кахалем съездили в Стокгольм за Нобелевской премией «за работу по выявлению строения нервной системы». Следуя традиции, оба прочли короткие лекции, где описывались их исследования. Но в ходе этих лекций они предпочли не радоваться общей награде, а обрушиться с нападками друг на друга.

До этого между ними долго кипела жаркая дискуссия. Окрашивание по методу Гольджи наконец-то явило миру нейроны, однако сравнительно небольшая разрешающая способность тогдашних микроскопов все-таки оставляла место для сомнений и неоднозначных трактовок. Заглянув в свой микроскоп, Кахаль увидел точки, в которых два нейрона контактировали друг с другом, оставаясь разделенными. А когда Гольджи посмотрел в свой микроскоп, ему показалось, что в таких точках нейроны сливаются воедино, образуя сплошную сеть, что-то вроде гигантской клетки.

К 1906 году Кахаль убедил многих коллег, что между такими нейронами все-таки есть просветы, однако по-прежнему оставалось неясным, как же нейроны умудряются передавать друг другу сигналы, если они не соединены физически. Три десятилетия спустя Отто Лёви и Генри Дейл получили Нобелевскую премию «за открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов». Они обнаружили убедительные доказательства того, что нейроны могут отправлять друг другу сигналы путем выработки молекул нейротрансмиттеров и получать сигналы, детектируя нейротрансмиттеры. Эта идея химического синапса объясняла, каким образом двум нейронам удается общаться через узкий просвет.

Но сам-то синапс тогда еще никто не видел! В 1933 году немецкий физик Эрнст Руска сконструировал первый в истории электронный микроскоп. В этом приборе вместо луча света использовался поток электронов, что позволяло получать гораздо более четкое и резкое изображение. Руска перешел на работу в компанию Siemens и запустил свое изобретение в массовое производство. После Второй мировой войны популярность его детища только возросла. Биологи научились рассекать образцы на чрезвычайно тонкие слои, а затем помещали их под электронный микроскоп. Наконец-то они увидели четкое и ясное изображение.

Первые изображения синапсов, полученные в 1950-х годах, показали, что два нейрона все-таки не «сливаются» в синапсе: две нервные клетки разделены четкой границей, иногда можно различить даже узенький просвет между ними. Оптический (световой) микроскоп не позволял разглядеть такие детали, вот почему Гольджи с Кахалем так и не смогли разрешить свой спор при жизни.

С учетом этих новых сведений можно посмертно присудить победу Кахалю. Впрочем, не совсем так. Ведь Гольджи в конечном счете тоже оказался прав. Как я уже говорил, помимо химических синапсов, мозг содержит и электрические. В синапсе этого типа щель между двумя мембранами соседних нейронов пронизана особыми ионными каналами, по которым ионы (заряженные частицы) могут перемещаться из внутренней части одного нейрона во внутреннюю часть другого. Такой синапс передает электрические сигналы между нейронами напрямую, ему не нужен химический сигнал-посредник. По сути, он объединяет две клетки в одну большую, как и представлял Гольджи.

Рис. 28. Поперечное сечение аксонов и дендритов под электронным микроскопом до (слева) и после (справа) оптического размывания

Я расхваливал электронный микроскоп как изобретение, позволившее получить изображение синапсов. Однако новые методы окрашивания тоже оказались важны. С появлением электронной микроскопии понадобились методы массированного окрашивания, при которых помечаются все нейроны. Комбинация электронного микроскопа и таких методов массированного окрашивания дала нейробиологам возможность воочию увидеть то, что они давно себе представляли, но до сих пор не могли пронаблюдать: переплетение ветвей множества нейронов. Окрашивание по Гольджи демонстрирует форму нейрона, однако создает ложное впечатление, будто нейроны – острова, плавающие в пустоте. На самом же деле ткань мозга буквально набита нейронами и их отростками (рис. 28, слева). Эта картинка подобна той, которую можно увидеть, разрезав комок спутанных макарон. Их отдельные волокна окажутся круглыми или овальными в разрезе – подобно нейронным отросткам на снимке.

Законы физики ограничивают разрешающую способность оптического микроскопа длиной волны света, которая составляет доли микрона. Более мелкие детали будут выглядеть размыто: это проявление так называемого дифракционного барьера. На рис. 28, справа, показан искусственно размытый вариант изображения, полученного с помощью электронного микроскопа. Так объект выглядел бы в оптическом микроскопе. Поперечные сечения самых тонких отростков нейронов не удавалось бы четко разглядеть. Вот почему метод фрагментарного окрашивания, метод Гольджи, когда помечается лишь небольшая доля нейронов, оказался необходим при использовании оптического микроскопа. Электронный микроскоп обладает гораздо более высокой разрешающей способностью, что позволяет одновременно видеть все нейроны образца, пометив их методом массированного окрашивания.

Но электронный микроскоп дает нам лишь двухмерное изображение поперечных сечений нейронов. Чтобы увидеть их во всей красе, нужна трехмерная картинка. Ее можно получить, разрезав мозговую ткань на тонкие ломти, как колбасу, и снять изображение каждого ломтика. Может показаться, что такое разрезание – элементарная задача, однако каждый слой должен быть в десятки тысяч раз тоньше кусочка самой изысканной ветчинной нарезки. Для этого потребуется весьма необычный нож.

Я всегда питал слабость к ножам. Еще в первые скаутские годы я заполучил свой первый карманный ножик, дешевенький, с двумя лезвиями, которые быстро потускнели. Мальчишка постарше как-то раз показал мне свой швейцарский армейский нож с ярко-красной ручкой, ощетинившийся множеством разнообразных сверкающих лезвий и прочих инструментов. Конечно, меня одолела зависть. Ныне я предпочитаю немецкие поварские ножи из углеродистой нержавеющей стали. (Я не настолько фанат ножей, чтобы выбирать более острые, однако способные ржаветь.) Обожаю шуршание и скрежет ножа, который востришь на точильном круге, и восхитительное ощущение, когда он скользит сквозь мякоть помидора.

А вот пристрастия людей к алмазам я никогда не понимал. Ну да, они красиво сверкают, но кубик циркония или даже просто ограненного стекла сияет не хуже. Куда прелестнее бледная голубизна аквамарина или кровавый багрянец рубина! Эти великолепные цвета гораздо сочнее блеклой и пустой прозрачности бриллианта.

Но потом на моем пути встретился алмазный нож.

Рис. 29. Ножи: алмазный (слева) и металлический (справа)

Чтобы оценить необычность этого инструмента, давайте начнем с загадки: чем нож отличается от пилы? Вы можете ответить, что у пилы режущий край зазубренный, а у ножа – гладкий. Или что нож кончается острием, а торец полотна пилы – тупой. Но под микроскопом все эти различия исчезают. Какой бы гладкой режущая кромка любого металлического ножа ни казалась невооруженному глазу, при увеличении она выглядит зазубренной и тупой. Даже остро наточенный нож японского шеф-повара, разделывающего суши, выглядит тупым и грубым, словно дубинка.

Однако существует нож, чье редкостное совершенство выдерживает и пристальный осмотр. Режущая кромка хорошо наточенного алмазного ножа выглядит замечательно острой и гладкой даже под электронным микроскопом. Ее ширина – всего 2 нанометра, т. е. примерно 12 атомов углерода. На атомном уровне, может быть, и видны кое-какие щербинки, но у лезвия высокого качества они встречаются нечасто. Преимущества такого резака перед металлическим ножом очевидны, достаточно взглянуть на их изображения, полученные с помощью электронного микроскопа (рис. 29).

Алмазный нож – самый совершенный среди множества типов резаков, применявшихся в истории микроскопии, а история эта насчитывает не одно столетие. Клеточные структуры растительных и животных тканей лучше всего видны, если разрезать образец на тонкие слои. Для световой микроскопии такие ломтики должны быть толщиной с человеческий волос. Поначалу образцы готовили вручную, при помощи бритвенных лезвий. В XIX веке для этого изобрели специальные машины – микротомы. Кусочек биологической ткани постепенно, небольшими одинаковыми «шажками», двигался к ножу (или, наоборот, к нему двигался нож), что позволяло получать ломтики равной толщины.