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

Есть древнегреческий миф о царе Миносе, решившем не приносить в жертву прекрасного белого быка, а оставить его себе. Боги, разгневавшись на его жадность, покарали Миноса, вселив в его жену безумную страсть к этому быку. В результате царица произвела на свет Минотавра – чудовище с двумя ногами и двумя рогами. Минос заточил свою неверную жену и ее отродье в Лабиринт, систему запутанных ходов, весьма хитроумно выстроенную великим инженером Дедалом. В конце концов из Афин прибыл герой Тесей и благополучно убил Минотавра. Чтобы найти дорогу из Лабиринта, он следовал за нитью, которой снабдила Тесея его возлюбленная Ариадна, дочь царя Миноса.

Коннектомика чем-то напоминает мне это сказание. Подобно Лабиринту, мозг вынужден иметь дело с последствиями разрушительных эмоций, таких как жадность или похоть. Но при этом он способен побуждать к изобретательности и воспламенять любовь. Вообразите, как вы бродите среди аксонов и дендритов, подобно Тесею, отыскивающему путь по извилистым проходам Лабиринта. Может быть, вы – молекула белка, усевшаяся на молекулярный автомобиль, мчащийся по молекулярному шоссе. Вас везут далеко-далеко: от тела клетки, того места, где вы родились, к пункту вашего назначения – дальнему концу аксона. Вы смирно сидите и наблюдаете, как мимо проносятся стенки аксона.

Если вас заинтересовала перспектива такого путешествия, давайте рискнем проделать его виртуально – не по собственно мозгу, а по его изображениям. Можно проследить путь аксона или дендрита благодаря набору снимков, полученных с помощью устройств, которые описаны в главе 8. Это необходимо для отыскания коннектомов. Чтобы составить карту связей в мозгу, нужно увидеть, какие нейроны соединены синапсами. А это невозможно сделать, не зная, куда идут «провода».

Но чтобы найти весь коннектом, придется исследовать каждый коридор мозгового лабиринта. Для построения карты лишь одного кубического миллиметра мозга придется пропутешествовать через целые мили нейритов, пробраться через петабайт изображений. Столь трудоемкий и тщательный анализ жизненно необходим: поверхностный взгляд на эти снимки ничего вам не даст. Такой способ проведения научных исследований кажется очень далеким от того, чем занимался Галилей, мельком заметивший спутники Юпитера, или Левенгук, немного понаблюдавший за сперматозоидами.

Сегодня наше представление о науке как об умении увидеть , по сути, доведено до предела – благодаря современным технологиям. Более того, в наше время никакой отдельный человек не в состоянии вникнуть во все изображения, получаемые с помощью автоматизированных приборов. Но если технология породила проблему, то, быть может, технология сумеет ее решить? Возможно, компьютерам удастся проследить пути всех аксонов и дендритов благодаря этим снимкам. Если наши машины сделают за нас основную часть работы, мы все-таки сумеем увидеть коннектомы.

Проблема обработки колоссальных объемов информации стоит не только перед коннектомикой. Самый масштабный научный проект в мире, Большой адронный коллайдер (БАК), представляет собой кольцевую трубу, залегающую под землей на стометровой глубине, внутри двадцатисемикилометрового туннеля между Женевским озером и швейцарской частью Юрских гор. Коллайдер (ускоритель) разгоняет протоны до огромных скоростей и сталкивает их друг с другом: это делают, чтобы изучить силы, определяющие взаимодействие между элементарными частицами. На одном из участков этого кольца располагается гигантский аппарат – Компактный мюонный соленоид. Он способен детектировать до миллиарда столкновений частиц в секунду. Одна сотая часть этих столкновений отбирается компьютерами, которые в автоматическом режиме просеивают поступающие данные. Записываются лишь «интересные» события, однако информация течет стремительным и мощнейшим потоком, ведь каждое событие (столкновение) дает больше мегабайта данных. Отобранную информацию затем передают для анализа в сеть суперкомпьютеров, разбросанных по всему миру.

Чтобы находить в мозгу млекопитающих целые коннектомы, нам понадобятся микроскопы, способные делать снимки с такой скоростью, что поток поступающих данных окажется помощнее, чем у БАК. Сумеем ли мы анализировать эти данные с должной оперативностью? Ученые, составлявшие коннектом червя C. elegans , уже столкнулись с этой проблемой. К их большому удивлению, анализировать изображения оказалось труднее, чем получать.

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.