Czego oczy nie widzą. Jak wzrok kształtuje nasze myśli. Richard Masland

zaintrygowani, opowiedziałem im więc o badaniach Heinza i wyjaśniłem, że być może niedługo będziemy mogli oglądać całe populacje komórek nerwowych i wykorzystywać ich stereotypowe kształty do określania ich specyficznych funkcji, opierając się na rzeczywistym materiale ilościowym, a nie na anegdotach. I może wreszcie skonstruujemy jakiś konkretny model!

      Widziałem ich rozczarowanie. Zapewne pomyśleli to samo: „Anatomia? Daj spokój”. Ale odczyt Heinza skrystalizował moje myślenie: zobaczyłem algorytm, wiodącą coraz wyżej ścieżkę, która prędzej czy później doprowadzi nas do ważnego odkrycia i pozwoli powiedzieć coś więcej o procesie postrzegania.

      Jak się potem okazało, zrozumienie organizacji neuronów w siatkówce – a zwłaszcza dostrzeżenie ich wielkiej różnorodności – zwiastowało zmianę w interpretacji roli innych struktur ośrodkowego układu nerwowego.

      Rozdział 4

      Neurony widma

      Do diabła, Tejrezjaszu, jeżeli wiesz,

      to wiesz na pewno, inaczej nie wiesz[15].

      – Ezra Pound

      Cicha rewolucja w neuronauce XXI wieku objęła również studia anatomiczne. Wcześniej anatomię uważano za dyscyplinę nudną – za bezsensowne kolekcjonowanie motyli. A jednak zawsze wiedziano, że struktura mózgu ma ogromne znaczenie. Santiago Ramón y Cajal, twórca i święty patron neuronauki, całe swoje dzieło oparł na neuroanatomii. Nie mam wątpliwości, że wykuwanie na pamięć dziesiątków obwodów neuronalnych i jąder w mózgu należy do najmniej lubianych zadań, jakie dostają od nas studenci medycyny. Ale jeśli spojrzeć na to z szerszej perspektywy, to właśnie w neuroanatomii – czy też neurobiologii strukturalnej, jak często się ją nazywa – dzieje się dziś najwięcej: mózg to jedna wielka maszyna do generowania połączeń i wszelka jego aktywność sprowadza się ostatecznie do sposobu łączenia ze sobą jego elementów.

      Około roku 2000 suma kilku innowacji przyczyniła się do tego, że w anatomicznym pojmowaniu mózgu odnotowaliśmy skokowy postęp. Pierwszą z tych innowacji było poprawienie rozdzielczości mikroskopów dzięki wynalezieniu tak zwanej mikroskopii konfokalnej. (Działanie mikroskopu konfokalnego opiszę pod koniec tej książki). Kolejną był wysyp nowych metod wizualizacji komponentów komórki. Magiczne narzędzia biologii molekularnej umożliwiają nam dzisiaj tworzenie markerów nawet dla najdrobniejszych trybików maszynerii wewnątrzkomórkowej, a mikroskopy konfokalne pozwalają oglądać, jak ta maszyneria działa. Tymczasem jeszcze niedawno nie potrafilibyśmy sobie nawet wyobrazić, że kiedykolwiek będziemy mogli obserwować pojedyncze komórki pływające swobodnie w naturalnym środowisku czy całe ich skupiska, które nie tylko świecą w ciemności, lecz emitują światło o barwach charakterystycznych dla różnych typów komórek. Innowacje te pozwoliły nam marzyć o rzeczy niewyobrażalnej, a mianowicie o sporządzeniu spisu wszystkich neuronów mózgu (albo siatkówki), jego wyczerpującego „spisu inwentarza”. To zaś byłoby pierwszym krokiem do rozwikłania zagadki niezliczonych połączeń układu nerwowego.

      Niezidentyfikowane neurony

      Poświęcone komórkom zwojowym prace Heinza Wässlego, o których po raz pierwszy usłyszałem na tamtej konferencji w nadmorskim hotelu na Florydzie, niosły wyraźne przesłanie dla nas, neurobiologów: powinniśmy zacząć rozbierać siatkówkę na części pierwsze, poczynając od jej najmniejszych elementów. I dopiero po sporządzeniu wyczerpującego spisu elementów składowych możemy próbować ustalić, jakie te elementy mają funkcje. A jak już wspomniałem, mieliśmy na podorędziu nowoczesny sprzęt, który ułatwiał nam zadanie.

      Immunocytochemia, która stała się odrębną dyscypliną nauki około 1990 roku, pozwala nam zlokalizować niemal każdą cząsteczkę białka w komórce lub tkance. Rozjarzone i rozedrgane neurony, które mogliście oglądać w filmie dokumentalnym, są najczęściej wizualizowane immunocytochemicznie. Technika ta jest zasadniczo prosta, a obrazy, jakie oferuje, zapierają dech w piersiach.

      Ma jednak i frustrujące strony; mógłbym opowiedzieć historię komercyjnego odczynnika, który zmarnował mi rok pracy laboratoryjnej (w kategoriach finansowych nieetyczna firma zaopatrzeniowa kosztowała amerykańskich podatników około 300 tysięcy dolarów). Niemniej postanowiliśmy pójść właśnie tą drogą: ja i Julie Sandell, ona najpierw na Harvardzie, a potem na Uniwersytecie Bostońskim, Harvey Karten i Nick Brecha, pionierzy techniki immunocytochemicznej, Berndt Ehinger w Szwecji, Heinz Wässle i Leo Peichl w Niemczech, Dianna Redburn i Steve Massey w Teksasie. Nowozelandczyk David Vaney robił piękne zdjęcia mikroskopowe, odkrywając ponownie swoją pierwszą miłość, w młodym wieku bowiem rzucił naukę i rozpoczął karierę fotografa.

      Zastosować tę metodę mógł każdy – wystarczyło mieć właściwe odczynniki i mikroskop fluorescencyjny, żeby rozjaśnić wszystkie komórki siatkówki zawierające określone markery. Przy niewielkim powiększeniu widziało się jedynie skupisko gwiazd na ciemnym niebie, ale przy dużych powiększeniach uwidaczniał się wyraźnie kształt neuronu i cienkie nitki aksonów wijące się po powierzchni siatkówki lub nurkujące gdzieś w głąb – wzorcowy układ połączeń danej komórki z innymi komórkami. Które cząsteczki odczynnika powodowały rozjaśnienie których podtypów cząsteczek w neuronach siatkówkowych, to było (i częstokroć nadal jest) kwestią przypadku. Najlepszymi próbnikami jak dotąd są neuroprzekaźniki w synapsach: dopamina, nasza stara, dobra znajoma acetylocholina, serotonina i tym podobne; wszystkie występują w stosunkowo niewielkich skupiskach neuronów siatkówkowych. (Oczywiście neurony zawierają znacznie więcej innych cząsteczek, zapewne dziesiątki tysięcy. Jednak większość z nich występuje w wielu innych typach komórek, nie tylko w siatkówce, ale również w mózgu i pozostałych tkankach ciała, w których wykonują takie zadania, jak dostarczanie energii i podtrzymywanie struktury komórek. Z tych cząsteczek nie mamy żadnego pożytku w badaniach siatkówki oka).

      Dwadzieścia czy trzydzieści publikacji naukowych później nasza grupa miała już całkiem pokaźną listę typów komórek siatkówki – około dwunastu. Każdy z nich mógł być bardzo wiarygodnie oznaczony, innymi słowy, badacz mógł zobaczyć całą populację komórek danego typu w całej siatkówce, gdyż odróżniała się ona od pozostałych typów neuronów. Mogliśmy je mierzyć i liczyć. Brzmi to może trywialnie, ale właśnie to stanowi podstawę prawdziwej nauki, która coraz dalej odchodzi od kolekcjonowania motyli oraz od idei jednej, „typowej” komórki, a przybliża nas do zrozumienia, w jakim stopniu komórki danego typu przyczyniają się do przebiegu procesu widzenia. Na przykład niektóre typy neuronów są bardzo nieliczne, natomiast ich dendryty sięgają bardzo odległych rejonów siatkówki. Zdołaliśmy ustalić, że populacja tych komórek nie może uczestniczyć w przekazywaniu obrazu wysokiej rozdzielczości. Mała liczba neuronów przekłada się na małą liczbę pikseli obrazu. Każda z tych komórek przekazuje sygnały ze zbyt dużego wycinka pola wzrokowego, aby móc się przyczyniać do ostrzejszego widzenia – przekazywany przez nie obraz jest dramatycznie niedopracowany i przypomina gigantyczne, rozmazane plamy. I na odwrót – pewne malutkie komórki występują bardzo licznie i są gęsto upakowane. Od razu przypuściliśmy, że stanowią element pośredni ważnej magistrali, obwodu wysokiej rozdzielczości łączącego fotoreceptory z mózgiem… i okazało się, że mieliśmy rację.

      Tak więc wraz z paroma innymi laboratoriami świetnie się bawiliśmy, robiąc ładne zdjęcia i zaczynając się domyślać, jak mogą działać poszczególne części siatkówki. Po pewnym czasie jednak skończyły nam się komórki do oznaczania; określone typy dawały się oznaczyć kilkoma zaledwie cząsteczkami, a nic innego nie działało. Gdzieś w tym lesie neuronów musiał się chować niedostrzeżony do tej pory słoń, gdyż większość komórek, które zdołaliśmy zidentyfikować, należała do typów rzadkich. Patrząc teraz na całe ich populacje, mogliśmy stwierdzić, że odkryte przez nas typy tworzą w zasadzie oddalone od siebie skupiska rozrzucone po całej siatkówce. Pomiędzy nimi ziały szerokie połacie,