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

Рис. 41. Пирамидальный нейрон (рисунок Кахаля)

План Кахаля по классификации нейронов на типы ожидали еще более острые противоречия Он выстроил свою классификацию на основе внешнего вида нейронов, подобно натуралисту XIX века, разделяющему бабочек на виды. Одним из любимых нейронов Кахаля стала так называемая пирамидальная (пирамидная) клетка. Он назвал ее «клеткой души» – не из-за того, что верил во всякие сверхъестественные вещи, а потому, что полагал: эта разновидность нейронов играет важную роль в функционировании верхних уровней нашей психики. На рис. 41 воспроизведено изображение, которое Кахаль сделал собственноручно. Видны главные черты нейронов этого типа: приблизительно пирамидальная форма тела клетки, шипики, торчащие из его дендритов, и длинный аксон, уходящий далеко от тела нейрона. На этой картинке аксон направлен вниз, он идет к мозгу. Самый заметный апикальный (верхушечный) дендрит идет от вершины пирамиды вверх, к поверхности коры головного мозга.

Пирамидальные клетки – самый распространенный тип нейронов коры головного мозга. Кахаль наблюдал и другие кортикальные нейроны, с более короткими аксонами и с гладкими, а не шипастыми дендритами. Форма непирамидальных нейронов оказалась более разнообразной, так что пришлось разделять их на большее количество типов. Некоторые из них получили во всех смыслах цветистые названия – к примеру, «двойная букетная клетка».

Кахаль пытался классифицировать по типам нейроны всего мозга, а не только его коры. Примененный им метод мысленного разрезания мозга оказался куда затейливее бродмановского, поскольку в каждом участке мозга содержатся нейроны многих типов. Более того, в каждом участке они перемешаны, словно представители различных этнических групп, живущие в одной стране. При жизни Кахаль не смог завершить эту работу, и даже в наши дни она по-прежнему находится лишь в начальной стадии. Мы и сейчас не знаем, сколько всего типов нейронов существует в мозгу, но мы знаем, что это очень большая цифра. В этом смысле мозг больше походит на влажный тропический лес с его сотнями видов деревьев, чем на хвойную рощу, где может произрастать всего один вид деревьев – сосна обыкновенная. По оценке специалистов, в одной только коре головного мозга содержатся нейроны сотен типов. Нейробиологи продолжают вести споры об их возможной классификации.

Эти разногласия свидетельствуют о существовании более фундаментальной проблемы: пока не совсем ясно даже, как дать точное определение области мозга и типу нейронов. В платоновском диалоге «Федр» Сократ рекомендует «проводить разделение… по природным границам, по месту сочленения, не ломать отдельные части, как поступил бы скверный мясник при разделке туши». Эта метафора позволяет провести яркое сравнение интеллектуальных задач таксономии с более приземленной деятельностью – разрезанием птицы на части перед ее приготовлением. Анатомы следуют указаниям Сократа в буквальном смысле, они разделяют тело, последовательно именуя все его кости, мышцы, внутренние органы и т. п. Применим ли совет Сократа к мозгу?

«Рассечь природу в местах сочленений» означает сделать разрез в тех местах, где связи слабее всего. Не нужно быть профессионалом, чтобы разделить мозг на два полушария по их естественной границе – мозолистому телу. Однако большинство участков мозга не столь очевидны. Границы между кортикальными областями кажутся нам «суставами» на поверхности коры. Через них проходит великое множество «проводов», соединяющих между собой нейроны, расположенные с обеих сторон коры.

Ну да, мы уже и без того рассекли мозг на чрезвычайно маленькие кусочки – отдельные нейроны. Никто не станет спорить, что это разделение объективно – теперь, когда спор между Гольджи и Кахалем наконец разрешился. Но, как я уже говорил (рассуждая о болезни Паркинсона), полезно делить мозг и более грубо – по участкам, по типам нейронов. Как же проводить такое разделение точнее?

Надеюсь, именно коннектомы обеспечат нас новыми и лучшими способами разделения мозга. Мы уже не будем следовать рекомендации Сократа столь буквально. В отличие от птичьей тушки коннектомы можно рассекать более абстрактно – классифицируя нейроны по степени их связанности. Этот подход уже применялся при разделении трех сотен нейронов червя C. elegans на сто с лишним типов. Ученые следовали при этом такому принципу: если два нейрона связаны с похожими или аналогичными партнерами, они принадлежат к одному и тому же типу. Некоторые типы вполне тривиальны, к ним относятся лишь два нейрона-близнеца, расположенные по обеим сторонам тела. Левый и правый нейроны в такой паре соединены с аналогичными нейронами, подобно тому как ваша левая рука соединена с левым плечом, а правая – с правым. Другие типы не столь очевидны, к ним относятся до тринадцати нейронов, сходных по своим связям.

С помощью этих нейронных типов можно упростить схему коннектома червя C. elegans, показанную на рис. 3 (см. Введение). Сведем все нейроны одного типа в единый узел. Проделаем это для нейронов всех типов. На рис. 42 представлен фрагмент получившейся картины. Каждое трехбуквенное сокращение обозначает тип нейронов, вовлеченных в откладывание червем яиц и связанные с этим схемы поведения. Так, VCn – это нейроны от VC1 до VC6, управляющие вульварными мышцами. Линии между узлами показывают связи – между типами нейронов, а не между самими нейронами. Так что схему можно назвать коннектомом нейронных типов.

Рис. 42. Фрагмент «упрощенного» коннектома червя C. elegans (нейроны сгруппированы по типам)

Этот пример демонстрирует, что вырезание фрагментов коннектома не только помогает выявить типы нейронов, но и показывает, как они соединены друг с другом. Нейробиологи наверняка с удовольствием проделали бы то же самое для сетчатки глаза. Связи между пятью широкими классами ее нейронов уже известны. Так, горизонтальные клетки получают возбуждающие синапсы от фоторецепторов и в ответ направляют им ингибирующие синапсы. Кроме того, они создают электрические синапсы друг с другом. Но вспомним, что эти пять классов подразделяются на более чем пятьдесят нейронных типов. Их связи между собой почти не изучены, но их можно будет выявить, если найти и должным образом «вырезать» нейронный коннектом сетчатки.

Следует отметить, что этот подход отличается от классического. Кахаль первоначально выделял нейронные типы по форме и месторасположению соответствующих нейронов, а уже затем начинал изучать связи между ними. Я же предлагаю обратить этот процесс вспять: начнем с рассмотрения связей, а уже потом двинемся назад, к определению типов нейронов.

Да, это иной подход, но его можно считать усовершенствованным вариантом кахалевского – если считать форму и месторасположение нейрона предпосылками его возможных связей. Представьте себе два нейрона. Каждый из них раскидывает отростки на каком-то участке мозга. Если два соответствующих участка полностью отделены друг от друга, по генетическим или иным причинам, тогда эти два нейрона никак не смогут наладить связь. Для связи необходим хоть какой-то первоначальный контакт. А на возможность контакта, в свою очередь, влияют местоположение и форма клеток.