Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть

В середине шестидесятых годов прошлого века Сидней Бреннер, биолог родом из ЮАР, увидел возможность применения серийной электронной микроскопии для построения карты всех связей в сравнительно небольшой нервной системе. Тогда еще не придумали термин «коннектом», и Бреннер говорил о задаче «воссоздания (реконструкции) нервной системы». Он работал в кембриджской лаборатории молекулярной биологии при Совете по медицинским исследованиям. В то время он, как и его коллеги по лаборатории, осваивали C. elegans в качестве стандартного подопытного для генетических исследований. Позже червь стал первым представителем фауны, чей геном удалось полностью расшифровать. В наши дни представителей этого вида червей изучают тысячи биологов.

Бреннер полагал, что C. elegans способен помочь нам понять и биологические основы поведения живых организмов. Червь проделывает самые обыкновенные вещи – питается, совокупляется, откладывает яйца. Кроме того, он дает фиксированный отклик на определенные раздражители. Скажем, если прикоснуться к его головке, он отдернет ее и уползет. А теперь представьте, что вы обнаружили червя, неспособного на какое-то из этих стандартных проявлений. Если его потомство унаследует ту же проблему, можно предположить, что причиной этого стал некий генетический дефект, и попытаться определить, какой именно. Подобные исследования могут пролить свет на связь между генами и поведением, что само по себе было бы очень ценно. Но еще более ценные сведения можно получить, исследуя нервную систему таких червей-мутантов. Не исключено, что удалось бы выявить определенные нейроны или нервные пути, поврежденные из-за воздействия аномального гена. Перспектива всестороннего изучения червя на всех уровнях: гены, нейроны, поведение, – казалась весьма заманчивой. Но осуществление этого плана зависело от одной мелочи: у Бреннера попросту не было карты нервной системы нормального червя. А без нее трудно понять, чем отличается от нее нервная система червя-мутанта.

Бреннер знал об исследованиях немецко-американского биолога Рихарда Гольдшмидта: в начале XX века тот пытался составить карту нервной системы другого вида червей – Ascaris lumbricoides. Но у оптического микроскопа Гольдшмидта не хватило разрешающей способности для того, чтобы ясно показать отростки нейронов или выявить синапсы. Бреннер решил испробовать на C. elegans похожую методику, но с использованием более совершенной техники – электронного микроскопа и ультрамикротома.

Длина C. elegans – всего один миллиметр, этот червь гораздо меньше аскариды, которая способна вырастать до фута в человеческих внутренностях, где она иногда обитает. Чтобы нашинковать крошечную сосисочку C. elegans на слои, достаточно тонкие для электронной микроскопии, требуется сделать несколько тысяч разрезов. Николь Томсон, сотрудник Бреннера, поняла, что всего червя не удастся нарезать без ошибок и погрешностей – процесс нарезки тогда еще не был автоматизирован и представлял немалые технические трудности. Но ученым все же удалось обработать большой фрагмент червя. Бреннер решил скомбинировать изображения, полученные от сегментов нескольких разных червей. Разумная стратегия, ведь нервная система червя довольно-таки стандартизирована (мы говорили об этом раньше).

Томсон кромсала червей, пока не получила срезы для каждой области тела животного. Затем эти срезы один за другим поместили под электронный микроскоп и сделали их снимки (см. рис. 32). Благодаря этому трудоемкому процессу, в конце концов удалось получить набор снимков, представляющий всю нервную систему C. elegans. На снимках были запечатлены все синапсы червя.

Рис. 32. Срез C. elegans

Думаете, Бреннер и его команда остановились на этом? Ведь коннектом – просто совокупность всех синапсов данного существа, разве нет? На самом деле Бреннер с коллегами лишь начали с этого свою работу. Хотя синапсы оказались на виду, их организация по-прежнему оставалась скрытой от глаз человека. В сущности, ученые получили пока лишь мешок с беспорядочной кучей синапсов. Чтобы найти коннектом, следовало выяснить, к каким нейронам относятся те или иные синапсы. По одиночному снимку это сказать нельзя, ведь он показывает лишь двухмерные срезы нейронов. Однако, изучая целую последовательность изображений, показывающих поперечные сечения единичного нейрона через заданные промежутки времени, можно определить, какие синапсы принадлежат данному нейрону. И если это удастся проделать для всех нейронов, то мы как раз и отыщем коннектом. Иными словами, команда Бреннера желала узнать, какие нейроны с какими нейронами соединены.