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

…не до конца осознал его важность. Левенгук сообщил о своих наблюдениях сперматозоидов в письме к президенту лондонского Королевского научного общества. Несколько смущенный темой послания, он подчеркивал, что образец получен естественным и законным путем, на собственном брачном ложе ученого. Он заклинал президента не предавать письмо огласке, если тот сочтет его оскорбительным (Ruestow, 1983).

…устройства Левенгука десятикратно улучшили этот показатель с помощью всего одной линзы, но очень мощной. Форд (Ford, 1985) излагает историю однолинзового микроскопа, заявляя, что Левенгук изготавливал лучшие в тогдашнем мире линзы, позволяя расплавленному стеклу застывать в форме небольших шариков. Рустоу (Ruestow, 1996) отмечает, что Левенгук делал линзы и более стандартным методом – попросту шлифуя стекло (как голландец и уверял в своих статьях).

…на нем все-таки видны очертания лишь отдельных нейронов. На рис. 26 показаны помеченные по методу Гольджи нейроны коры головного мозга (верхней височной извилины) взрослой макаки-резус. Область изображения – от белого вещества в нижней части до третьего слоя коры вверху, это расстояние примерно равно полутора миллиметрам.

…среди этих нитей затесалась одна темная… Наблюдательный читатель мог заметить, что на рис. 27 показаны макароны букатини, которые толще спагетти и имеют отверстие в центре. (Благодаря особой текстуре их очень приятно жевать, весьма рекомендую.) Если каждую макаронину букатини пометить своим цветом, можно будет проследить путь всех макаронных нитей, даже на немного размытой картинке. Ученые применили такой подход, с помощью методов генной инженерии заставив мышиные нейроны флуоресцировать различными цветами, выбираемыми случайным образом. Это явление Джефф Лихтман окрестил «мозговой радугой» (Livet, 2007; Lichtman, 2008). Однако число различимых нашим глазом оттенков ограничено, так что «мозговой радуги» будет, скорее всего, недостаточно для того, чтобы проследить за большим количеством тесно сплетенных и перепутанных нейритов. Может быть, положение удастся улучшить, сочетая метод «мозговой радуги» с методами получения более четких изображений – например, с помощью недавно созданных разновидностей световой микроскопии, преодолевающих дифракционный барьер (Hell, 2007). Применяя иной подход, Тони Задор (Tony Zador) предложил с помощью генной инженерии наделить каждый нейрон определенной цепочкой РНК или ДНК (тоже подбираемой случайным образом). Такая последовательность могла бы являться уникальной для каждого нейрона, поскольку число возможных цепочек в данном случае очень велико – куда больше количества различаемых нами оттенков. С помощью других молекулярных хитростей и геномных технологий можно попытаться найти такие цепочки для каждой пары связанных друг с другом нейронов. В итоге мы получим желанный коннектом. Мы пока не знаем, смогут ли эти направления исследований дать нам надежную альтернативу электронной микроскопии, стандартному методу поиска коннектомов. Я упоминаю о них лишь для того, чтобы показать: коннектомика сейчас переживает вдохновляющий период – то и дело появляются новые методы и подходы.

Пример эффективности окрашивания по методу Гольджи… Из раствора смеси бихромата калия и нитрата серебра выпадает осадок хромата серебра, по неизвестной причине содержащий небольшую долю нейронов.

А когда Гольджи посмотрел в свой микроскоп… Guillery, 2005. Гипотезу Кахаля назвали «нейронной доктриной», а гипотезу Гольджи – «теорией сетчатости».

…он объединяет две клетки в одну большую, как и представлял Гольджи. Слышали шутку: «Экономика – единственная область, где два человека могут получить одну Нобелевскую премию за противоположные взгляды»? Видимо, она датируется 1974 годом, когда премию разделили Гуннар Мюрдаль и Фридрих Хайек, немало потрясенные тем, что их чествуют одновременно, ведь их воззрения были диаметрально противоположны. Произнося речь на торжественном банкете, Хайек заметил, что Нобелевская премия по экономике – вещь немного опасная. Позже Мюрдаль даже написал статью, где призывал больше не присуждать Нобелевскую премию в этой сфере (Myrdal, 1977). Он заявлял, что экономика – «неточная» наука, так что премия по экономике, учрежденная в 1968 году, не похожа на премии в области «точных» наук, чей список привел Альфред Нобель в своем знаменитом завещании 1895 года. Из уст Мюрдаля это слышать забавно, ведь именно он когда-то ратовал за учреждение Нобелевской премии по экономике. Учитывая, что в 1906 году Нобелевскую премию присудили Гольджи и Кахалю, можем ли мы считать нейробиологию точной наукой? Возможно, на шкале «точности наук» следует поместить ее где-то между экономикой и физикой. Да, взгляды Гольджи и Кахаля были противоположны друг другу, однако, насколько мне известно, никто не призывал на этом основании отказаться от присуждения Нобелевской премии по физиологии и медицине. И потом, оба все-таки оказались правы, так что Нобелевский комитет поступил справедливо.

…новые методы окрашивания… В наши дни применяют аналогичные методы, основанные на применении других меток – крупных и тяжелых атомов (осмия, урана, свинца), они хорошо отражают электроны.

…дифракционного барьера. Недавно физики поняли, что дифракционный барьер можно преодолеть с помощью флуоресцентной микроскопии – метода, недоступного для Гольджи (Hell, 2007).

Так объект выглядел бы в оптическом микроскопе. Размытую версию снимка сделал Винфрид Денк, который воспроизвел действие объектива микроскопа с апертурой 1,4 при длине волны 500 нм.

Ее ширина – всего 2 нанометра… Точнее, 2 нанометра – это «краевой радиус кривизны», как гордо заявляют на своих сайтах некоторые производители алмазных ножей. В литературе встречается более скромный показатель – 4 нм (Matzelle., 2003).

Кейт Портер и Джозеф Блюм. Porter, Blum, 1953. Бехтель (Becht el, 2006) рассказывает об истории применения электронных микроскопов в биологии.

…ультрамикротом, вмонтированный в вакуумную камеру электронного микроскопа. Denk, Horstmann, 2004.

…«серийной сканирующей электронной микроскопией основного блока образца»… В более ранний период исследователи применяли трансмиссионную (просвечивающую) электронную микроскопию (ТЭМ) – в этих установках электроны направлялись сквозь срезы ткани. (По сути, это как рассматривание негативной фотопленки на просвет.) В сканирующей электронный микроскопии электроны отражаются от поверхности объекта, чье изображение мы хотим получить.

…имели толщину всего 25 нанометров… Это важный показатель: он устанавливает вертикальный предел разрешения для стопки трехмерных снимков. В двух горизонтальных измерениях у электронной микроскопии разрешение гораздо лучше (всего несколько нанометров или даже меньше). Вертикальное же разрешение куда грубее.

…в конце концов тот достиг показателя в 30 нанометров. Первоначальная конструкция Хэйворта, показанная на рис. 30, называлась не АЛУМ (автоматический ленточный ультрамикротом), а АТЛУМ (автоматический токарный ленточный ультрамикротом). Пластмассовый блок, содержащий в себе образец мозговой ткани, закрепляется на приводе-оси, как у токарного станка. Каждый поворот оси проталкивает блок мимо алмазного резака, и в результате «сбривается» тончайший верхний слой образца. Вначале Хэйворт считал, что такое вращательное движение позволит лучше контролировать толщину срезов. Но затем он вернулся к традиционному линейному движению обычного ультрамикротома: так режут мясо в автоматических установках индийского ресторана.

…для нее не требуется алмазный резак. Нотт (Knott et al., 2008) описывает метод «размалывания с помощью сфокусированного пучка ионов». Бок (Bock, 2011) рассказывает о модификации трансмиссионного (просвечивающего) электронного микроскопа, позволяющей получать изображения более широкой рабочей области, тем самым ускоряя сбор данных.

Глава 9. По следу

…мимо проносятся стенки аксона. Этот молекулярный автомобиль – белок из семейства кинезинов. «Шоссе», по которому он едет, похоже на трубку и называется микротубулой.

Он способен детектировать до миллиарда столкновений частиц в секунду. CMS Collaboration, 2008.

Тогда еще не придумали термин «коннектом»… Когда в 2007 году Бреннер читал вступительную лекцию для моих студентов, которым я преподаю коннектомику, он выразил неудовольствие термином и посоветовал окрестить эту область нейрономией, пошутив, что «нейрономия по отношению к нейрологии – то же самое, что астрономия по сравнению с астрологией».