В те времена было известно всего несколько видов нейромедиаторов. Как показал грубый химический анализ, все они присутствовали в сетчатке. Заинтригованные, мы решили использовать эти вещества в качестве нейрональных маркеров, которые помогли бы нам идентифицировать клетки. Исходя из предположения, что разные функциональные типы нейронов должны использовать разные нейромедиаторы, мы решили, что изучение действия этих медиаторов укажет нам на то, какие клетки сетчатки выполняют специализированные функции.

Самым хорошо изученным на тот момент нейромедиатором являлся ацетилхолин. Было установлено, что сетчатка содержит чрезвычайно высокий уровень ацетилхолина: его концентрация здесь выше, чем практически в любой другой структуре нервной системы. Предварительные эксперименты Эймса и Дэниела Поллена показали, что некоторые ганглионарные клетки реагируют на действие ацетилхолина. И поскольку этот медиатор открыли довольно давно, уже было разработано множество препаратов, влияющих на опосредованные ацетилхолином синапсы.

Практически сразу я обнаружил, что многие ганглионарные клетки сетчатки действительно возбуждались под действием ацетилхолина или ацетилхолиноподобных веществ. Они показывали стабильный ответ, возбуждаясь не только ацетилхолином, но и агентами, усиливающими его действие. Другие ганглионарные клетки не реагировали на ацетилхолин. Но выявить в их реакциях / отсутствии реакций какую-либо явную закономерность мне не удалось. Я предположил, что on-клетки должны быть более чувствительны к ацетилхолину, чем off-клетки, но экспериментальные данные не дали этому надежного подтверждения (из-за недостатков, как я теперь понимаю, тогдашней системы классификации ответов).

Тогда я решил зайти с другой стороны и выяснить, какие клетки содержат ацетилхолин. По тем временам это была сложнейшая задача, и, если бы не самоотверженная помощь моего друга Джона Миллса, мастера магической техники вмораживания меченого ацетилхолина, я бы вряд ли сумел это сделать. Наградой за наш кропотливый труд стало единственное открытие, что ацетилхолин содержится в одной небольшой группе амакриновых клеток. (Амакриновые клетки – промежуточные нейроны; модифицирующие возбуждение ганглионарных клеток. Дальше я расскажу о них подробнее). Впоследствии эти клетки получили название «звездчатые», потому что их изящная симметричная форма напомнила Теду Фамильетти, нейроанатому с богатым воображением, фейерверк в виде звезд. Оказалось, что именно эти клетки лежат в основе такой замечательной способности ганглионарных клеток сетчатки, как избирательность в отношении направления.

В те же годы я реализовал еще пару небольших исследовательских проектов, но, чтобы сделать наши главные открытия, нам потребовалось почти семь лет непрерывной работы.

Итак, мы установили, что ацетилхолин играет в сетчатке роль нейромедиатора и содержится в небольшой группе амакриновых клеток. Но это был только один нейромедиатор, а нас интересовали и все остальные. Биохимические эксперименты показали, что в сетчатке присутствуют и другие известные кандидаты в нейромедиаторы – например, дофамин, который в головном мозге отвечает за чувство удовлетворения, удовольствия и привязанности. (Нет, это не означает, что сетчатка является частью системы удовольствия – здесь дофамин действует по-другому.) Международная группа ученых во главе с Берндтом Эхингером из Швеции поставила перед собой задачу определить, какие клетки сетчатки содержат другие нейромедиаторы. По мере развития методологий и технологий такие исследования стали намного проще, и я со своей лабораторией присоединился к этим усилиям, хотя и с собственной повесткой.

На мой взгляд, просто составлять список нейромедиаторов сетчатки было скучным делом; гораздо любопытнее было то, что разные нейромедиаторы служили маркерами конкретных типов клеток. В отличие от большинства наших собратьев по цеху, я и горстка других ученых настаивали на том, что нам необходимо знать полные формы различных типов клеток и их реальное количество в сетчатке. Так мы смогли уйти от бессистемного подхода, свойственного классической анатомии. В этом подходе старой школы, который некоторые критики называли коллекционированием бабочек, вы собирали красивые единичные примеры и составляли из них коллекцию – что и становилось вашим исследованием.

Меня же интересовало количество, связи и полные деревья нейронов – разных типов нейронов, которые мы могли идентифицировать благодаря содержанию в них конкретных нейромедиаторов. («Деревом» нейрона (arbor) называется все разветвление его аксонов и дендритов; поскольку эти отростки образуют контакты с другими нейронами, дерево нейрона определяет всю совокупность его возможных связей.) Зная полные структуры и количество разных типов нейронов, мы могли нарисовать нейронную схему сетчатки и таким образом понять, как она функционирует.

Я осознал важность такой методики благодаря одному потрясающему докладу, услышанному мной на конференции по проблемам исследования зрения. Докладчиком был Хайнц Вессле, высокий немец примерно моего возраста, директор Института исследований мозга Макса Планка во Франкфурте. Институты Макса Планка – это научно-исследовательские учреждения, по сути, большие лаборатории, каждую из которых возглавляет один ученый. Они щедро финансируются правительством Германии. Директора Институтов Макса Планка – сливки немецкой науки, а Вессле на тот момент был самым молодым из них.

На лекции, состоявшейся в конференц-отеле рядом с роскошными пляжами западной Флориды, Вессле рассказал о результатах исследования ганглионарных клеток, недавно проведенного им вместе с Брайаном Бойкоттом[13]. Они нашли способ окрашивать два типа ганглионарных клеток сетчатки: крупные ганглионарные клетки, присутствующие в сетчатке в относительно небольшом количестве (они назвали их альфа-клетками), и более мелкие и многочисленные ганглионарные клетки, названные бета-клетками. Затем Вессле вместе с Бойкоттом и его учеником Лео Пайхлем показали, что разная анатомическая форма альфа– и бета-клеток соответствует разной кодировке их визуального ввода. Альфа-клетки были клетками с транзиторными on– и off-ответами; бета-клетки – клетками с устойчивыми on– и off-ответами.

Почему меня так взволновала эта новость? Во-первых, это означало, что уникальная форма клетки свидетельствует о том, что она играет свою конкретную и уникальную роль в функционировании сетчатки. Чем больше мы об этом узнавали, тем больше убеждались, что разные формы всегда означают разные функции в машине сетчатки – подобно разным шестеренкам и колесикам в сложном механизме. Это давало нам возможность двигаться в обратном направлении от формы клеток к нейронным микросхемам и дальше к общей схеме, которая и определяла функцию каждой клетки. Таким образом, изучая форму и количество отдельных деталей, мы могли узнать, как работает этот таинственный механизм – сетчатка глаза, – кодирующий видимую картину мира в набор сигналов для головного мозга.

Второй причиной, почему меня это воодушевило, был уровень определенности, которого добились Вессле и Бойкотт. Проведенное ими анатомическое исследование дало нам не просто красивые бессистемные картинки альфа– и бета-клеток в духе коллекционирования бабочек, но воспроизводимую информацию о популяциях клеток в целом. Это делало открытие стереотипности форм поистине прорывным: аналогично тому, как клены имеют свою типичную форму ветвления, отличающуюся от ветвления дуба, альфа-клетки имели свою специфическую структуру, а бета-клетки – свою. Такое сложно увидеть, когда перед вами всего один экземпляр данного типа клеток – одно кленовое дерево, но когда вы видите всю совокупность клеток данной популяции, их общие черты бросаются в глаза. Немного попрактиковавшись, можно научиться с первого взгляда распознавать альфа– и бета-клетки. И, тогда как Вессле с коллегами открыли всего два типа клеток, было очевидно, что существуют и другие.

Я прилетел на конференцию вместе с двумя гарвардскими друзьями, но, поскольку их интересы лежали в смежных научных областях, они решили пропустить доклад Вессле. Я оставил их в сколоченном из грубых досок баре на набережной под шелестящими кронами пальм, в которых мягко играл легкий бриз из Мексиканского залива. Когда я вернулся, они заканчивали второй кувшин пива. «То, что я только что узнал, навсегда изменит наш подход к изучению нейронных сетей», – сказал я им.

«И что же это такое?» – с нетерпением спросили они.

Я рассказал им об исследовании Вессле и объяснил, что вскоре мы сможем идентифицировать целые популяции клеток и, опираясь на их стереотипные формы, определить их функции. Наконец-то мы сможем прийти к чему-то системному, построенному на надежной количественной и воспроизводимой основе!

Я видел, что они разочарованы. «Анатомия? – думали они. – Ты, наверное, шутишь?!» Но доклад Вессле выкристаллизовал мое мышление: я четко увидел алгоритм, путь вперед, который рано или поздно должен был привести нас к пониманию того, каким образом работает система зрительного восприятия.

Как показало будущее, знание того, как организованы нейроны в сетчатке, – и, в частности, представление об их функциональном разнообразии, – также помогло нам глубже понять другие структуры центральной нервной системы.