Диалоги (октябрь 2003 г.)

Гордон Александр Гарриевич

Третий подход – «снизу вверх». О нем я хотел бы сегодня поговорить более подробно, поскольку сам занимаюсь данного рода исследованиями. Ученые пытаются понять, как происходит передача и обработка сигнала на уровне локальных нейрональных сетей, и дальше – сделать обобщения о функциях структур мозга.

Чтобы начать говорить о том, что происходит на уровне нейронов, основных клеток мозга, я хотел бы показать несколько изображений, полученных с помощью светового микроскопа. Если мы возьмем небольшой кусочек мозга и погрузим его в физиологический раствор, то клетки будут жить достаточно долгое время. Эту ткань можно получить от экспериментальных животных или в результате хирургических операций на человеке. В последнем случае – это ткань поврежденного или больного мозга. Она несет важную информацию о причине заболевания.

Сейчас вы видите типичное изображение,

полученное с участка гиппокампа морской свинки. Гиппокамп – это структура мозга, ответственная за кратковременную память и обучение. Если у человека повреждены оба гиппокампа, то он попадает в «день сурка». Он помнит всё, что происходило раньше, но не может запоминать новую информацию, и каждый день начинается с одного и того же момента.

Таким образом, исследования гиппокампа важны для понимания механизмов обучения и памяти. Если вы приглядитесь к рисунку, то можно увидеть нейроны. Они сгруппированы в слои. Эти клетки мозга связаны друг с другом и посредством этих связей получают и передают информацию. На втором изображении тоже можно обнаружить несколько нейронов. Итак, мы можем работать с живыми клетками в изолированном участке мозга.

Здесь вы видите нейрон при большем увеличении. Если изменять фокус, то можно получить представление о трехмерной структуре клетки и увидеть ее отростки. Покажите, пожалуйста, анимацию.

Теперь перед вами схематическое изображение, которое дает представление о сложности взаимодействия между нейронами. В реальных нейрональных сетях таких клеток тысячи и миллионы. Естественно, у экспериментатора, вооруженного современным микроскопом, возникает желание исследовать активность не целого мозга или его структуры, как в энцефалографии, а одного нейрона: посмотреть, как одна клетка живет, что с ней происходит. Сейчас перед вами нейрон, к которому подходит стеклянный микроэлектрод, заполненный раствором, позволяющим передавать электрический ток. В этой конфигурации мы можем записывать электрическую активность одной-единственной клетки. Вот еще одно такое изображение.

А.Г. Размер нейрона какой в данном случае?

А.С. Сома данных нейронов – порядка 20-30 микрометров. Вообще размеры различаются у разных видов. Это морская свинка. Если мы посмотрим у крысы, нейроны будут мельче. У обезьяны или человека будут выглядеть совершенно по-другому. Тем не менее, данные, которые мы получаем на животных, могут быть в некоторой степени приложимы и к человеку. Несмотря на качественное различие в работе мозга человека, мы изучаем базовые механизмы для человека и животных. В чем качественное отличие мозга человека и в чем секрет сознания, говорить еще рано. В данном случае, необходимо двигаться от простого к сложному.

А.Г. То есть вы исследуете механизмы, которые в принципе должны быть одинаковыми у человека и у морской свинки.

А.С. Совершенно верно, в большинстве случаев это именно так, хотя, разумеется, бывают отличия. Тем не менее, эти знания позволяют разрабатывать новые лекарства и размышлять о механизмах работы человеческого мозга. До определенного, конечно, предела.

Теперь перед вами находится схема реального научного эксперимента. На переднем плане вы видите схематическое изображение среза гиппокампа. На нем также указаны позиции электродов – стимулирующего и регистрирующих. Чтобы отвести электрический сигнал от нейронов, необходимо возбудить нервную ткань с помощью электрической стимуляции. Далее, необходимо выбрать тип клеток, в данном случае, это либо пирамидная клетка, либо интернейрон, и регистрировать в них синаптические токи. Синаптические токи показаны на данном рисунке справа. По изменениям в синаптической активности мы можем оценить, что происходит в нейрональной сети, тестировать лекарства, и судить о механизмах действия этих лекарств.

Прежде чем перейти к дальнейшим рассуждениям, давайте посмотрим на общую схему нейрона. По своей сути, нейрон – это такая же клетка, как и все остальные клетки в нашем организме. Однако нейрон специализирован для того, чтобы получать и передавать электрический сигнал. Он состоит из трех основных отделов или компартментов. Все клетки имеют одну сому (тело), но могут различаться по числу и морфологии дендритов и аксонов в зависимости от типа нейрона. В соме нейрона находится ядро и протекают основные метаболические процессы, связанные с поддержанием жизнедеятельности клетки. На соме и на дендритах располагаются окончания других нейронов. Эти окончания образуют синапсы, которые могут быть

как возбуждающими (увеличивающими вероятность генерации разряда нейрона), так и тормозными (снижающими вероятность). Обратите внимание на анимацию: синим цветом показаны сигналы, приходящие в нейрон. При достижении определенного порога, возбуждающие синаптические токи приводят к генерации собственного электрического «потенциала действия», распространяющегося по аксону. В аксоне потенциал действия достигает синаптических терминалей, через которые данный нейрон связан с соседними. Так от нейрона к нейрону сигнал передается в нейрональной сети.

Изображения, которые вы сейчас видели, получены с помощью светового микроскопа. Эта техника позволяет работать с живой тканью, но мы не можем видеть детально дендриты и аксон нейронов без специальных методов окраски, которые применяются, как правило, в фиксированной ткани. Любопытно, что большинство клеток мозга были описаны более ста лет назад в работах Рамона-и-Кахаля.

В недавнем прошлом для изучения детальной морфологии нейрональных компартментов использовалась электронная микроскопия. Для своего времени это был достаточно мощный метод, который позволил получить очень важную информацию о числе контактов между нейронами и их пластичности. Главным недостатком электронной микроскопии является то, что работа ведется с фиксированной тканью. То, что мы видим в электронном микроскопе, это не живые клетки, а краситель, распределенный в ткани, «посмертная маска». Изображения нейронов под электронным микроскопом, таким образом, отражают не только физиологические процессы нейрональной ткани, но также реакцию клеток на фиксацию и окраску. А ведь самое интересно – это посмотреть, что происходит в живой клетке. Но наука, конечно, не стоит на месте, и технологии развиваются.

Так появился лазерный конфокальный сканирующий микроскоп. То, что вы сейчас видите на экране, – фотография, полученная с помощью такого микроскопа в Neuroimaging laboratory в Лондоне, которой руководит Дмитрий Русаков. С помощью такой техники мы можем не только видеть живые нейроны и их компартменты с высоким разрешением, но также наблюдать процессы, происходящие в этих клетках.

Обратите внимание, как отличается фотография нейрона, полученная с помощью конфокального микроскопа, от той, которая получена с помощью светового микроскопа. Яркая полоса – это электрод, который мы используем для того, чтобы подсоединиться к нейрону и заполнить его красителем. Такой краситель не убивает клетку, а распространяется по ее отросткам. Теперь мы хорошо видим сому, дендриты и аксон клетки.

На данной анимации вы видите изображения нейрона, полученные при различном фокусе с шагом 2 микрометра. Теперь, если собрать отдельные изображения, то можно сделать трехмерную реконструкцию нейрона.

Сейчас перед вами участок дендрита нейрона, который наполнен кальциевым красителем, и по цветовой кодировке вы видите различные уровни кальция. Красный цвет означает низкий уровень, желтый – более высокий и так далее. Если активировать нейрон, то можно увидеть значительное увеличение кальция в этом дендрите. Кальций является важным ионом в жизнедеятельности клетки и принимает участие во многих физиологических процессах. Он может запускать как процессы, связанные с пластичностью, так и вызвать гибель клетки. Наши нейроны живут по определенной программе, которая управляется различными внешними и внутренними сигналами, и кальций – один из них.

На данном изображении мы видим различные морфологические детали, которые не видны при использовании светового микроскопа, например, дендритные шипики. Мы можем посмотреть, как в них изменяется кальций в реальном масштабе времени, и потом сделать трехмерную реконструкцию изображения.

А.Г. Насколько я помню из предыдущей передачи, которая у нас была, именно через дендритные шипики и передается информация к другим клеткам. Они как бы стоят на границе…

А.С. Да, дендритные шипики – это одна из составных частей возбуждающего синапса. Поскольку синапс – это контакт между нейронами, то и шипики принимают важное участие в передаче сигнала от клетки к клетке. Однако есть синапсы, которые не имеют шипиков. Разговор о них зашел, чтобы показать достоинства нового метода. Например, чтобы узнать, что происходит в мозге в различных условиях с использованием электронного микроскопа, мы должны взять ткань у двух различных животных: контрольного и после воздействия. Но это не совсем правильно, поскольку нужно видеть изменения в одной и той же клетке, что стало возможным с применением лазерной сканирующей микроскопии.