Текст книги "Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия"
Автор книги: Ричард Маслэнд
Жанр:
Научпоп
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 2 страниц)
Это общий принцип функционирования всех сенсорных систем. Вкусовая система включает набор из пяти типов рецепторов, отвечающих за восприятие сладкого, кислого, соленого, горького вкусов, а также умами (сложного вкуса, присущего некоторым аминокислотам). Примечательно, что на сегодняшний день ученые насчитали в обонятельной системе около 400 типов рецепторов, каждый из которых обладает избирательной чувствительностью к конкретному пахучему веществу. Это объясняет способность дегустаторов различать сотни видов вин по их букету (к сожалению, я не обладаю этим талантом), а также то, почему аромат конкретных духов или одеколона способен вызвать воспоминания о бывшей любви.
ЧЕМ ЗРЕНИЕ ПОХОЖЕ НА ОСЯЗАНИЕ?
В предыдущем разделе я так подробно остановился на осязании, потому что основные принципы работы нашей осязательной и зрительной систем очень похожи. Их сенсорные нейроны, по сути, делают одно и то же. И зрение, и осязание сводятся к тому, чтобы передать в мозг информацию о стимулах, воздействующих на определенный участок пласта сенсорных клеток – в коже или сетчатке. Обе системы состоят из разнообразных типов рецепторов. В той и другой индивидуальные нейроны реагируют на стимулирование ограниченного рецептивного поля и сообщают мозгу конкретные виды информации. Но что касается зрения, то здесь мы знаем намного больше о том, как головной мозг принимает, обрабатывает и интерпретирует сигналы, поступающие от сетчатки глаза.
Как было сказано выше, отдельные иннервирующие кожу нейроны сообщают мозгу разные виды информации о воздействующих на них стимулах. Этот же фундаментальный принцип лежит в основе работы зрительной системы: каждое волокно зрительного нерва передает в мозг информацию об одном небольшом участке и одном конкретном аспекте видимого мира.
Сетчатка, по сути, представляет собой микропроцессор, подобный тому, что находится в вашем смартфоне, фотоаппарате или электронных часах. Она содержит множество разных типов нейронов, о которых дальше мы поговорим очень подробно. А пока давайте посмотрим, как сигналы с сетчатки передаются в головной мозг. Это делается посредством нейронов дальней связи, называемых ганглионарными клетками сетчатки (и аналогичных осязательным нейронам, идущим от кожи к спинному мозгу). Сетчатка человеческого глаза содержит около миллиона ганглионарных клеток. Они собирают входные сигналы от нескольких типов внутренних нейронов сетчатки и посылают их в мозг через зрительный нерв, который образован из соединенных в пучок длинных аксонов ганглионарных клеток.
Первое серьезное исследование ганглионарных клеток сетчатки было предпринято американским ученым венгерского происхождения Стивеном Куффлером. Хотя научный интерес Куффлера был сосредоточен на другом предмете – а именно на механизме синаптической передачи, судьба в какой-то момент свела его с офтальмологией. Немало попутешествовав по миру, после Второй мировой войны он получил место на кафедре офтальмологии Университета Джонса Хопкинса. Отчасти из благодарности к своим работодателям он провел экспериментальное исследование, которое по сей день остается фундаментальным для нашего понимания феномена зрения.
Примерно в 1950 г. Куффлер занялся изучением электрической активности одиночных ганглионарных клеток в сетчатке глаз кошек, находящихся под воздействием глубокого наркоза. Исследователи вводили в глаз животного микроэлектрод, подводили его к ганглионарной клетке, после чего регистрировали генерируемые клеткой последовательности импульсов при стимуляции поверхности сетчатки пятнами света. Пятна света должны были быть очень мелкими, чтобы имитировать изображения объектов внешнего мира, которые, как известно, отображаются на сетчатке в сильно уменьшенном виде – например, изображение моего ногтя большого пальца на расстоянии вытянутой руки на сетчатке не превышает в размере 0,4 мм.
Куффлер заметил, что сигналы ганглионарных клеток сетчатки очень похожи на сигналы сенсорных нейронов кожи. Каждая ганглионарная клетка отвечала за один небольшой участок поверхности сетчатки – свое рецептивное поле. Самая маленькая рецептивная зона в кошачьем глазу имела размер около 40 мкм или 0,04 мм. Хотя никто никогда не измерял (по медицинским соображениям) размер отдельных рецептивных полей у людей, косвенные свидетельства указывают на то, что их минимальный диаметр составляет около 10 мкм. Как рассчитал один лауреат Нобелевской премии, 10-микрометровое рецептивное поле соответствует изображению 25-центовой монеты, полученному с расстояния около 150 м. Лично я не способен увидеть четвертак, находящийся так далеко, но, возможно, у нобелевских лауреатов более острое зрение, чем у простых смертных. Рецептивные поля можно сравнить с пикселями на компьютерном мониторе. Чем больше плотность ганглионарных клеток, тем острее зрение.
НЕМНОГО КОНТЕКСТА
На заре нейробиологии – примерно с 1945 по 1980 г. – самые захватывающие исследования проводились в области регистрации электрических сигналов. Эти сигналы включали мозговые волны, которые записывались с помощью наложенных на поверхность головы электродов (в виде электроэнцефалограмм или ЭЭГ) и дистанционно отражали общую электрическую активность мозга, а также сигналы, которые фиксировались посредством введения в мозг тонких микроэлектродов и свидетельствовали об активности отдельных нейронов. Изучение электрической активности мозга было, как говорится, самой крупной игрой в городе. (Молекулярная генетика, которая сегодня стала главным двигателем биологической науки, тогда была представлена в основном биохимией, а генная инженерия еще не появилась.)
Вряд ли стоит говорить, что электрические сигналы отдельных нейронов чрезвычайно слабы, а потому уязвимы для помех со стороны всех видов проходящих мимо электромагнитных волн, излучаемых полицейскими рациями, телевизионными вышками, медицинскими пейджерами и т. д. Поэтому испытуемого, человека или животное, часто помещали в специальную проволочную «клетку», которая экранировала нежелательные электромагнитные волны.
Другим способом защититься от помех было поместить между их источником и местом записи непроницаемую преграду – например, землю. Вот почему многие лаборатории размещались в подвалах или же их стены обшивались специальными медными экранами. (С тех пор регистрирующая аппаратура значительно улучшилась, усовершенствованные усилители позволяют нам чисто записывать самые слабые сигналы, поэтому необходимость в таких крайних мерах защиты сегодня отпала.)
В те времена в типичной исследовательской лаборатории работали три-четыре исследовательские группы, каждая из которых занимала три-четыре комнаты. Группа включала независимого руководителя (профессора), а также трех-четырех постдоков (молодых ученых, недавно получивших докторскую степень) и лаборантов. Профессора обычно ютились в крошечных угловых кабинетах, постдоки – в отдельной комнате или закутке рядом с аппаратной. Виварий для мелких млекопитающих обычно располагался в конце длинного коридора. В первый день резкая вонь буквально валила новичка с ног. К счастью, запах постепенно ослабевал и через несколько недель пропадал вовсе. Мыши и кролики с их подстилками и экскрементами никуда не исчезали, но ваша обонятельная система через какое-то время просто переставала реагировать на этот раздражитель (о, благословенный дар сенсорного привыкания!).
В этих лабораториях почти не было стеклянных колб и бутылей, которые так любят показывать в фильмах. Вместо них всюду стояли стеллажи с усилителями, акустическими колонками, записывающими устройствами, блоками питания и прочей электроникой. Если лаборатории посчастливилось иметь компьютер, тот был размером с холодильник, имел мощность меньше моего смартфона и понимал только машинный язык. Программировать его умел лишь специально обученный программист, который использовал для этого примитивный машинный код, недалеко ушедший от двоичных последовательностей нулей и единиц. Жужжащие вентиляторы, охлаждавшие легко перегревавшиеся внутренности электронного монстра, смешивали запах новой проводки и горячего металла с запахами животных, спирта и эфира.
Мы невероятно дорожили лабораторным оборудованием. Нашей главной рабочей лошадкой был катодно-лучевой осциллограф с тускло светящимся зеленым экраном, дедушкой современных компьютерных дисплеев. Снимки экрана мы делали на пленочный фотоаппарат. Осциллограф требовал тщательной калибровки, и, поскольку он, как старый радиоприемник, работал на электронных лампах, с утра первым делом мне нужно было не забыть его включить, чтобы он успел нагреться к тому времени, когда мы планировали начать работу. Когда я создал собственную лабораторию, первый осциллограф обошелся нам в 2500 баксов (в долларах 1970-х гг.). Сегодня хороший аппарат можно купить всего за 500 долларов.
СТИВЕН КУФФЛЕР
Основоположник нейробиологии Стивен Куффлер сделал очень много для того, чтобы эта наука стала такой, какой мы ее знаем сегодня. Огромную роль сыграли не только его новаторские научные работы и публикации, приверженность делу и высокая планка, которую он задавал для всех окружающих, но и умение выбирать людей – учеников и коллег, которые сегодня составляют значительную часть элиты в американской нейрологии. Его боготворили все, кто его знал. Техники, обслуживающие оборудование, секретари, лучшие ученые умы – все обожали Стивена Куффлера[6]6
Рассказ о Стивене Куффлере основан на личных воспоминаниях автора, а также на эссе из сборника: McMahan, U. J. (1990), Steve: Remembrances of Stephen W. Kuffler, Sunderland, MA: Sinauer.
[Закрыть].
Худощавый и подвижный, он напоминал подростка. Всю жизнь он увлекался теннисом, но мало кто знал, что в юности он был чемпионом Австрии в этом виде спорта. Куффлер родился в 1913 г. в Венгрии и вырос в семейном имении. В автобиографии он назвал это место фермой, но другие описывали его как крупное поместье, где работало большинство жителей соседней деревни. Раннее детство было счастливым временем, но в 1919 г., когда в Венгрии разразилось коммунистическое восстание, его семье пришлось бежать в Австрию. Куффлер учился в католической школе-интернате, а затем поступил в медицинскую школу. К несчастью, его отец разорился и вскоре умер, оставив семью без средств. Юному Стивену, которому на тот момент не исполнилось еще и 20 лет, пришлось самому зарабатывать себе на жизнь. В 1937-м он окончил медицинскую школу и снова бежал из страны, едва успев до германского вторжения в Австрию.
Через Венгрию, а затем через итальянский Триест Куффлер перебрался в Лондон, где у него были друзья. Но, не имея лицензии на медицинскую практику в Англии, он был вынужден снова эмигрировать, на этот раз в Австралию, где познакомился с Джоном Экклсом и Бернардом Кацем, будущими титанами нейробиологии, и начал свою карьеру ученого-исследователя. В период интенсивной работы с 1939 по 1944 г. эти трое сделали фундаментальные открытия в области нейронной проводимости и работы синапсов.
Но административные препоны положили конец сотрудничеству. Куффлер со своей австралийской невестой уехал в Чикаго. Его научная репутация уже бежала впереди него. В конце концов он перебрался в Гарвард, где основал кафедру нейробиологии – если это была и не первая академическая кафедра нейронаук в мире, то наверняка одна из первых. На тот момент такой научной дисциплины еще не существовало, а Американское общество нейронаук было создано лишь пару десятилетий спустя (мой членский номер 000064 выдает во мне настоящего старожила). Кафедра Куффлера быстро стала ведущей в Северной Америке. Она славилась семейной атмосферой, а студентов туда тщательно отбирали. Через несколько лет после ее основания я провел там два года как приглашенный научный сотрудник.
Исследовательские стандарты на кафедре чрезвычайно высоки: там царил дух научной элитарности, если не сказать высокомерия, и они не стыдились этого. В некотором роде кафедра Куффлера была академическим эквивалентом «Волшебного автобуса» Кена Кизи[7]7
Переоборудованный и ярко раскрашенный школьный автобус, на котором члены коммуны хиппи «Веселые проказники» во главе с идеологом Кеном Кизи в 1960-х гг. путешествовали по США. – Прим. пер.
[Закрыть]. Если вы соответствовали их критериям, вас принимали в семью. Если нет, так прямо и говорили.
Атмосфера в этом научном «автобусе» была потрясающей; ученые развлекались от души. Сам Куффлер любил пошутить и прославился своей простотой и жизнерадостностью во всем Гарварде. Сотрудники его кафедры были Веселыми шутниками нейронауки, представляя собой странную и уникальную смесь высочайшего интеллекта, жесткой дисциплинированности, требовательности и умения подурачиться. Семинары проходили весело; от докладчиков ожидали, что их выступления будут безукоризненными с научной точки зрения, но при этом доходчивыми и приправленными здоровой долей юмора.
На кафедре имелась своя обеденная комната, где ученые обычно отдыхали в перерывах между экспериментами. Так со временем родилась практика обеденных семинаров. По мере того как известность кафедры росла, в Бостон приезжало все больше любопытствующих ученых, и их обычно приглашали провести семинары. В конце концов гостей оказалось так много, что запланировать отдельное мероприятие для каждого стало попросту невозможным. Решением стала система обеденных семинаров. Все, что требовалось сделать приглашающему сотруднику, – написать имя докладчика на календаре на двери комнаты. Не было никакого формального отбора и утверждения докладчиков, никаких официальных программ; вся ответственность лежала на приглашающем. Тем не менее контроль качества существовал, и довольно жесткий: если ты приглашал плохого докладчика, ты терял лицо. Хуже того, твоего гостя могли публично разнести в пух и прах.
На этих обеденных семинарах на нас обрушивалась лавина захватывающих научных новостей. Два-три таких выступления в неделю позволяли нам полностью быть в курсе того, что происходило за стенами нашей лаборатории. О многих новых открытиях мы зачастую узнавали еще до их публикации, что на практике давало нам весомое конкурентное преимущество. Мы шли в авангарде нейронауки и невероятно гордились этим.
Физически доступ посторонним на кафедру не был запрещен (в университетах это не поощряется), но фактически ее мир был закрыт для чужаков. Никто не захлопывал перед ними дверь, но и никогда не приглашали на внутренние мероприятия, тем более на обеденные семинары. Если кому-то хватало глупости явиться по собственной инициативе, его ожидал ледяной прием. Естественно, «люди со стороны» – другие гарвардские ученые – возмущались своим положением аутсайдеров, особенно когда видели через стеклянную стену, как сотрудники кафедры нейробиологии смеются, что-то увлеченно обсуждают и занимаются своей удивительной наукой. Но для группы Куффлера это было волшебное время. Так продолжалось до его смерти в 1980 г., после чего коллектив на удивление быстро распался. Сегодня кафедра нейробиологии Гарвардского университета по-прежнему остается замечательным местом и мировым лидером в области нейронаук, но ее бывшие сотрудники с ностальгией вспоминают славные былые времена.
(Если честно, все было не так однозначно. Необходимость показать себя с лучшей стороны слишком давила на сотрудников. Как признался мне один из ветеранов кафедры Куффлера, это был потрясающий опыт и ему понадобилось всего два года психотерапии, чтобы оправиться от него. Кроме того, нередкий в науке авторитарный стиль руководства иногда приводил к ошибкам.)
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
