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

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.

Микротом дает толщину до нескольких микронов. Для световой микроскопии этого более чем достаточно, однако с появлением электронного микроскопа стало необходимо резать еще тоньше. В 1953 году Кейт Портер и Джозеф Блюм сконструировали первые ультрамикротомы. Эти машины умели нарезать образцы на удивительно тонкие ломтики – до пятидесяти нанометров, более чем в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Вначале ультрамикротомы оснащались стеклянными ножами, но алмазные оказались лучше. Их совершенная острота дает чистые разрезы, к тому же они достаточно долговечны и могут отрезать множество ломтиков, прежде чем затупятся. Как вы понимаете, мозговую ткань следует тщательно и осторожно подготовить к разрезанию в ультрамикротоме. По консистенции она мягкая, словно тофу, и может распасться, если ее резать в свежем состоянии, так что предварительно ее заливают эпоксидной смолой, позже затвердевающей в сплошной монолит, похожий на кусок пластика.

Поначалу микротомы применялись для получения отдельных двухмерных изображений, как показано на иллюстрациях к этой главе. В 1960-х годах ученые сделали следующий шаг: они стали получать целые серии изображений от множества срезов. Этот метод называется серийной электронной микроскопией. Он дает объемную картинку благодаря совмещению набора двухмерных изображений большого количества срезов. В принципе возможно получить изображение совокупности всех нейронов и синапсов в изучаемом фрагменте мозговой ткани – и даже изображение всего мозга. Это-то нам и требуется для отыскания коннектомов. Однако на практике метод оказывается весьма трудоемким. Срезы трудно получить и поместить под микроскоп, не повредив их (такие повреждения на практике происходят сплошь и рядом). Вероятность ошибки очень велика: ведь даже небольшой фрагмент мозга дает огромное количество тончайших срезов.

Несколько десятилетий ученые не могли решить эту проблему. А потом один немецкий физик предложил простой и гениальный выход из положения.

* * *

Гейдельберг, очаровательный немецкий город примерно в часе автомобильной езды от Франкфурта, совсем не похож на фабрику технологий будущего. Полуразрушенный замок привлекает толпы туристов. Старая часть города вымощена брусчаткой и пестрит барами и ресторанами, где горланят развеселые студенты университета имени Рупрехта и Карла. Если вы чувствуете потребность предаться глубокомысленным раздумьям, отправляйтесь по Философской тропе, на вершину холма. Оттуда открывается великолепный вид на реку Неккер. Здесь витает дух гейдельбергских интеллектуалов прошлого – вспомним хотя бы Гегеля или Ханну Арендт.

Возле одного из мостов через Неккер угнездилось кирпичное строение – Институт медицинских исследований Общества имени Макса Планка (Янштрассе, 29). Здание кажется довольно скромным, однако тут работали пять нобелевских лауреатов! Это один из восьмидесяти элитных институтов при Обществе имени Макса Планка, которое смело можно назвать жемчужиной немецкой науки. Каждым институтом одновременно руководит несколько директоров, и каждый директор распоряжается солидным бюджетом, имеет небольшую армию помощников по науке и вышколенный технический персонал. Общество имени Макса Планка принимает решение в ходе голосования своих членов – нескольких сотен директоров институтов. Это клуб для самых-самых избранных.

Одним из директоров института на Янштрассе, 29 был Берт Сакман, получивший (совместно с Эрвином Неером) в 1991 году Нобелевскую премию за создание «метода локальной фиксации потенциала ионных каналов в клеточных мембранах», ныне – одного из стандартных инструментов нейрофизиолога. Он, в свою очередь, предложил Винфриду Денку стать новым директором института. Тот не отказался.

Денк – мужчина крупный, у него властный вид германского феодала. (Возможно, этому не стоит удивляться, ведь директора институтов Общества имени Макса Планка в каком-то смысле занимают в современном мире такое же положение, какое в Средние века занимали феодальные князья.) Денк поражает и своим остроумием. Научная лаборатория обычно не очень-то притягивает великих комиков, но бывают исключения. Никогда не забуду семинар одного блистательного специалиста по прикладной математике, пересыпанный уморительными шутками касательно секса, наркотиков и рок-н-ролла, я хохотал до колик в животе и до слез, мешавших мне разглядеть уравнения на доске. Афоризмы Денка свидетельствуют о живости его ума. Чтобы их оценить в полном объеме, вам лучше быть «совой», поскольку Денк предпочитает «график Дракулы», вставая поздно и зарабатываясь почти до рассвета. Вы не пожалеете о недосыпе: после полуночи остроты и каламбуры сыплются из него, как из рога изобилия.

В подвале дома на Янштрассе располагаются три электронных микроскопа, надежно укрытые в специальных отсеках от перепадов температуры. В металлических корпусах микроскопов с помощью специальных насосов создан вакуум, чтобы электроны свободно летали, не сталкиваясь с молекулами воздуха. Микроскопы эти немного капризны: то и дело какой-нибудь из них требует ремонта. Но остальные два могут при этом без перерывов сканировать образцы мозговой ткани неделями или даже месяцами.

Денк впервые прибыл в Гейдельберг, уже будучи ученым с мировым именем, он – один из изобретателей двухфотонного микроскопа. (Я уже рассказывал, что этот прибор применяли для наблюдения процессов возникновения и исчезновения синапсов в живом мозге различных представителей подопытной фауны.) Перетряхнув световую микроскопию, он решил автоматизировать серийную электронную. Его идея отличалась простотой: следует делать снимки поверхности образца, обнажаемой при отрезании ломтей, а не получать изображение самих ломтей, которые от нее отделяются.