Энн-Софи Барвич – Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу (страница 13)
Задача Бак была не в том, чтобы найти известные мотивы, общие для всех GPCRs. Ее комбинированная мозаика праймеров позволяла обнаружить частичное и перекрывающееся сходство между разными GPCRs. Но как узнать, нашли ли вы правильные гены? Вторая гениальная идея Бак – вместо ДНК использовать РНК. Этот выбор позволил ей получить генетический материал с разной молекулярной массой (концентрацией) и выбрать только самые тяжелые образцы! Вскоре использование вырожденных праймеров для ПЦР стало частью стандартного генетического протокола, например, для генетического сравнения организмов разных видов.
Идентификация генов рецепторов в конечном итоге дала ученым ключ к изучению обонятельного мозга. Это открытие выявило весьма специфический характер экспрессии генов в обонятельной системе, что обещало подарить прямой доступ к механизмам действия обонятельных нейронов. В каждом чувствительном нерве в эпителии носа экспрессируется один ген рецептора (то есть «обеспечивается появление в клетке продукта этого гена»). Следовательно, если экспериментатору удастся проследить признаки активации отдельного сенсорного нерва, он сможет непосредственно увидеть, где и как рецептор передает сигнал в мозг.
К концу XX века необходимые элементы для расшифровки механизмов обоняния уже были известны. В последующие два десятилетия несколько лабораторий включились в жесткую конкуренцию за расшифровку обонятельного кода. В 1990-х и 2000-х годах многие ученые верили, что обонятельный мозг скоро раскроет внутренние механизмы своей работы. Превалировало мнение, что обонятельная система, как и любая сенсорная система, для отражения стимулов использует нейронное пространство определенным топографическим образом. Но вопрос, как она это делает, оставался открытым. В отношении зрительной системы им уже занимались. И существовало множество причин, чтобы считать, что модель обонятельного мозга можно создать по аналогии с моделью зрительной системы.
Парадигма зрения и функциональная локализация
Нельзя не попасть под очарование зрительной системы. Задумайтесь на минуту: то, что вы обычно видите – это не то, на что «смотрят» клетки сетчатки. Зрение начинается с отдельных фотонов. Как регистрация фотонов вызывает формирование сложных зрительных образов, таких как человеческие лица?
Чтобы оценить работу зрительной системы, нужно признать важнейший принцип – клетки нашей зрительной системы действуют избирательно. Они не возбуждаются под влиянием любого стимула, но реагируют селективно на специфические признаки. Благодаря такой избирательности одиночные клетки объединяются в кластеры, а кластеры последовательно выстраиваются в сложный механизм извлечения сенсорной информации. И работает это весьма примечательным образом.
Зрение начинается с того, что фотоны, организованные в виде некоего энергетического рисунка, ударяют по рецепторам сетчатки (пока мы представляем себе это в виде двумерной пластинки в глубине глаза). Их сигнал передается по зрительному нерву – пучку нервных волокон, называемых аксонами, – к таламусу. Если сделать двусторонний срез головы позвоночного животного, таламус обнаружится непосредственно в центре мозга. Подобно ретранслятору в роутере, таламус собирает входящие сигналы от различных источников как сенсорной, так и моторной информации и передает их в соответствующие отделы коры полушарий головного мозга. Здесь сигнал от сетчатки идет через зрительный отдел таламуса – латеральное коленчатое тело. Далее эта информация отправляется в заднюю часть головы, где находится зрительная кора. Зрительная кора состоит из нескольких частей, определяющих ее функциональные подразделения. Главные сигналы от таламуса проецируются в первичную зрительную кору, также называемую зоной V1, или полосатой корой. Отсюда сигналы распространяются в несколько зон зрительной коры более высокого уровня (связанных со специализированными функциями, такими как движение, определение направления или обработка цвета)[107].
Исследования зрения находятся в полном расцвете, поэтому данная схема зрительного пути – крайне упрощенная. Изучающая зрение нейробиолог Айна Пьюс из Индианского университета в Блумингтоне добавляет, что способность видеть не объясняется примитивной моделью сетчатка—таламус—зона V1: «Конечно же, есть альтернативный путь, ведущий к подушке таламуса, верхнему бугорку и экстрастриарной коре, минуя зону V1. Благодаря этому пути реализуется феномен слепозрения[108]!»
Фундаментальным принципом зрительного пути является его способ получения сигнала извне. Зрительная кора работает на так называемых ретинотопических картах. Они обозначают области коры, соответствующие определенным областям сетчатки: когда мы наблюдаем за активностью коры, эти карты помогают точно определить, из какой части сетчатки приходит сигнал. И наоборот, когда мы исследуем сетчатку, мы видим, в какую точку коры проецируется сигнал. Наглядный пример этого принципа – центральная ямка, важнейшее место сетчатки, в которой наше зрение наиболее остро благодаря наивысшей концентрации колбочек (чувствительных к цвету рецепторов, реагирующих на источники света высокой интенсивности). Сигналы от центральной ямки приходят к определенному участку в зоне V1. Имея точку отсчета, мы можем нанести на карту других отделов первичной зрительной коры входные сигналы от соседних клеток сетчатки, ответственных за периферическое зрение. При такой организации принимаемые сетчаткой сигналы отражаются в виде картины возбуждения нейронов. Поскольку эта идея – ядро сенсорной нейробиологии, по-прежнему направляющей развитие современных исследований в области обоняния, необходимо обсудить ее исторический аспект и технические подробности.
На протяжении первой половины XX века многих ученых, изучавших мозг, волновала загадка: как информация от внешнего источника света кодируется на разных этапах зрительного пути? Зрительная система представляет данные в форме пространственных и временных картин, которые можно зарегистрировать по возбуждению нейронов. Вопрос в том, как система различает и интегрирует эти картины для создания единого зрительного образа.
Отправным моментом для решения этой загадки послужила серия революционных экспериментов[109]. В конце 1950-х годов Дэвид Хьюбел и Торстон Визель, два молодых исследователя из Университета Джонса Хопкинса, зарегистрировали электрические сигналы отдельных клеток зрительной коры кошки. Они встроили микроэлектрод в зону V1 в задней части ее головы и записывали ответы на некоторые световые стимулы, появлявшиеся на экране. Как часто бывает с котами, поначалу почти ничего не происходило. Ни находящееся под наркозом животное, ни его корковые клетки заметным образом не реагировали на изображения на экране. На этом эксперимент мог бы закончиться, если бы не одна счастливая случайность, столь характерная для важнейших событий в истории науки. Хьюбел и Визель подавали стимулы с помощью проектора и прозрачных стеклянных слайдов с черными и белыми пятнами. История гласит, что в тот день после многих часов безрезультатных экспериментов они начали укладывать оборудование, как вдруг микроэлектрод в голове кота выдал звук клеточной активности, напоминавший быструю пулеметную очередь.
Несколько часов ушло на то, чтобы понять причины произошедшего. Стеклянный слайд, который они использовали, был грязным по краям. Когда он сполз с проектора, на экране возникла тонкая линия, а не пятно. Продолжая эксперимент, Хьюбел и Визель обнаружили кое-что еще. Клетки полосатого тела не просто реагировали на линии, но также, по-видимому, предпочитали линии в определенной ориентации. Более того, и это особенно важно, клетки, обозначающие склонность к конкретной ориентации, формировали группы.
То, что мы видим – не пассивное отражение внешнего мира. Как выяснилось, визуальные образы представляют собой конструкты, созданные нашей сенсорной системой. Хьюбел и Визель опубликовали свои результаты в виде серии из трех статей и именно за них в 1981 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.
Хьюбел и Визель внесли двойной вклад в развитие нейробиологии. В первую очередь их открытия уладили длительный конфликт между двумя основными теориями функционирования мозга[110]. Одна теория постулирует, что любой ментальный процесс более или менее равномерно распределен по всему мозгу или по крайней мере вовлекает большинство его областей. Эта идея известна как концепция эквипотенциальности мозга. Она доминировала в XIX веке, а ее самыми известными сторонниками были французский физиолог Жан-Пьер Флуранс и швейцарский анатом Альбрехт фон Галлер. Несмотря на накапливавшиеся несоответствия, эта теория продолжала влиять на исследования нейронных и психологических механизмов мозга на протяжении всей первой половины XX века, что, например, проявилось в работе американского психолога и когнитивиста Карла Лешли.
Альтернативная теория функциональной локализации предполагала наличие в мозге выраженных анатомических участков, соответствующих физиологическим функциям и ментальным возможностям. Одним из первых сторонников этой теории был шведский ученый XVIII века Эммануил Сведенборг. Идея локализации получила распространение в форме френологии, которую в XIX веке горячо пропагандировал немецкий нейроанатом Франц Йозеф Галль. Поначалу к этой идее относились скептически. Однако дальнейшие наблюдения, особенно эксперименты с повреждениями мозга, подтверждали идею, что некоторые сенсорные и когнитивные функции связаны с активностью специфических участков мозга. Это предположение дополнительно укрепилось благодаря исследованиям таких выдающихся ученых, как французский врач Поль Брока и шотландский невролог Дэвид Ферриер.