Czego oczy nie widzą. Jak wzrok kształtuje nasze myśli. Richard Masland
od siatkówki przez wszystkie roztwory po płyn inkubacyjny – miało taką właśnie, normalną temperaturę organizmu królika. Del kazał zbudować „cieplarnię” ogrzewaną za pomocą urządzeń zewnętrznych, dzięki którym mógł dowolnie regulować temperaturę w laboratorium. Zimą, kiedy powietrze jest suche, przebywanie w tym maleńkim pomieszczeniu przez dwanaście godzin bez przerwy nie było wielkim poświęceniem, ale w wilgotne letnie dni było znacznie gorzej. (Kiedy urządzałem własne laboratorium, jedną z pierwszych moich decyzji było znalezienie innego rozwiązania problemu kontrolowania temperatury).
W owych czasach znano już sporo neuroprzekaźników. Intrygowało nas to, że zgrubna analiza chemiczna wykazywała, iż wszystkie one są obecne gdzieś w siatkówce. Postanowiliśmy wykorzystać je w charakterze markerów neuronowych, które umożliwią nam rozpoznanie związanych z nimi komórek. Różne typy funkcjonalne neuronów wykorzystują różne neuroprzekaźniki, pomyśleliśmy więc, że zidentyfikowanie ich pozwoli zlokalizować komórki spełniające w siatkówce jakieś wyspecjalizowane funkcje.
Najdłużej znanym i najlepiej przebadanym neuroprzekaźnikiem była wówczas acetylocholina. Wiadomo też było, że w siatkówce występuje ona w wyjątkowo dużym stężeniu: w przeliczeniu na jednostkę masy siatkówka ma jej więcej niż zdecydowana większość struktur układu nerwowego. Ze wstępnych eksperymentów Dela Amesa i Daniela Pollena można było wnioskować, że acetylocholina reguluje działanie niektórych komórek zwojowych. A ponieważ neuroprzekaźnik ten znany był od dawna, istniały syntetyczne substancje wpływające na używające go synapsy.
Od razu spostrzegłem, że wprowadzenie acetylocholiny lub substancji pochodnych pobudza mnóstwo komórek zwojowych. Ich reakcje były powtarzalne: neurony pobudzane przez ten neuroprzekaźnik były również pobudzane przez czynniki, które wzmacniają jego działanie. Niektóre rodzaje komórek zwojowych wykazywały podobnie spójne reakcje na acetylocholinę, inne znów nie, trudno jednak było dostrzec w tym wszystkim jakiś sensowny wzorzec. (Najpierw sądziłem, że bardziej wrażliwe są komórki typu ON, ale wniosek ten był bardzo nieprecyzyjny. Dzisiaj wiem, że mój system klasyfikowania reakcji komórek był daleki od ideału).
Następnie zacząłem sprawdzać, które komórki siatkówki zawierają acetylocholinę. Nie było to łatwe, a możliwe tylko dzięki długiej współpracy z moim przyjacielem Johnem Millsem, niedoścignionym mistrzem techniki znakowania acetylocholiny. Niemniej na końcu tej drogi czekało na nas rozwiązanie: acetylocholinę zawiera niewielka grupa komórek amakrynowych. (Komórki amakrynowe pełnią w siatkówce funkcję interneuronów, które modyfikują iskrzenie komórek zwojowych. Opowiem o nich więcej już niedługo). Zasłynęły one później jako „fajerwerkowe” komórki amakrynowe (starburst amacrine cells), bo ich piękna symetria skojarzyła się Tedowi Famigliettiemu, obdarzonemu bujną wyobraźnią specowi od neuroanatomii, z wybuchem fajerwerkowej gwiazdy. Jak się później okazało, komórki te są głównym motorem selektywności kierunku widzenia w komórkach zwojowych siatkówki.
W tamtym okresie ukończyłem kilka innych małych projektów, ale na nasze najważniejsze odkrycie potrzebowaliśmy jeszcze siedmiu lat niemal nieprzerwanej pracy.
Nowy kierunek
Wykazaliśmy zatem, że acetylocholina jest wykorzystywana jako neuroprzekaźnik w siatkówce i że zawierają ją interneurony z niewielkiej grupy komórek amakrynowych. Był to jednak dopiero jeden neuroprzekaźnik, a my chcieliśmy poznać całą resztę. Dzięki prowadzonym wcześniej eksperymentom biochemicznym wiedzieliśmy, że siatkówka zawiera wielu innych kandydatów na neuroprzekaźniki, na przykład spore ilości dopaminy, która wsławiła się tym, że w innych częściach mózgu jest mediatorem nagrody, przyjemności i uzależnień. (Nie, nie sądzę, by siatkówka była częścią układu przyjemności – w siatkówce dopamina spełnia zupełnie inne funkcje). Tymczasem grupa naukowców z całego świata, w której jedną z najważniejszych postaci był Berndt Ehinger ze Szwecji, zaangażowała się w ustalenie, które komórki siatkówki używają pozostałych neuroprzekaźników. Wraz z rozwojem metodologii takie badania stawały się znacznie łatwiejsze, więc i ja przyłączyłem się do tego projektu z moim laboratorium… i własnym pomysłem.
Uważałem mianowicie, że proste sporządzenie listy neuroprzekaźników siatkówki to zajęcie dość nudne i że większe znaczenie ma to, czy mogą one służyć jako markery dla określonych typów komórek. Z tego też powodu nasza garstka odróżniała się nieco od reszty, interesowały nas bowiem zarówno dokładne kształty tych komórek, jak i ich rzeczywista liczba. Chcieliśmy odejść od anegdotycznego stylu uprawiania klasycznej anatomii nazywanego przez niektórych krytyków „kolekcjonowaniem motyli”; w tej starej szkole badawczej pstrykało się zdjęcie ładnego okazu, dodawało je do kolekcji… i na tym w zasadzie całe badanie się kończyło.
Mnie natomiast zajmowały liczby, powiązania i całe drzewa wypustek, a zwłaszcza neurony, które moglibyśmy odróżniać od innych na podstawie używanego przez nie określonego neuroprzekaźnika. („Drzewo” neuronu to przypominające koronę drzewa rozgałęzienia jego dendrytów i aksonu, definiujące możliwe połączenia neuronu z innymi komórkami). Dla mnie liczyły się pełne struktury oraz liczba komórek – informacje, które można później wykorzystać do zbudowania niepodważalnego modelu obwodów siatkówki. Taki model z kolei pozwoliłby nam odpowiedzieć na pytania o funkcjonowanie całości.
O tym, jakie to ważne, przekonał mnie niezwykły odczyt, który usłyszałem na konferencji badaczy procesów widzenia. Wygłosił go Heinz Wässle, wysoki Niemiec mniej więcej w moim wieku, który był wówczas dyrektorem frankfurckiego Instytutu Badań Mózgu im. Maxa Plancka. Instytuty im. Maxa Plancka – jest ich kilka – to ogromne laboratoria finansowane hojnie przez rząd niemiecki, a ich dyrektorzy to śmietanka niemieckiej nauki. W owym czasie Heinz był najmłodszym dyrektorem takiego instytutu.
To właśnie na tamtej konferencji, w nadmorskim hotelu w zachodniej Florydzie, usłyszałem od Heinza Wässlego o dopiero co zakończonych badaniach komórek zwojowych siatkówki, które prowadził z Brianem Boycottem[14]. Obaj opracowali sposób oznaczania dwóch typów komórek zwojowych – dużych i stosunkowo nielicznych (które nazwali komórkami alfa) oraz mniejszych i liczniejszych (które nazwali komórkami beta). Później, przy współpracy badaczy australijskich i Lea Peichla, jednego ze swoich studentów, Heinz wykazał, że anatomiczne kształty komórek alfa i beta korelują z ich sposobem kodowania informacji otrzymywanych z siatkówki. Komórki alfa były komórkami chwilowymi typu ON i OFF, natomiast komórki beta – komórkami trwałymi typu ON i OFF.
Dlaczego było to takie frapujące? Po pierwsze, oznaczało, że niepowtarzalny kształt neuronu mówi nam o tym, iż odgrywa on swoistą, niepowtarzalną rolę w procesie funkcjonowania siatkówki. Im więcej wiedzieliśmy, tym bardziej byliśmy tego pewni – że taki a nie inny kształt trybiku tej maszynerii zawsze oznacza taką a nie inną rolę w jej działaniu. Z kształtów i funkcji tych komórek możemy wnioskować o tym, jak wyglądają mikroobwody siatkówki, do których one należą. Tak więc dane nam było wyraźnie zobaczyć wycinek procesu funkcjonowania siatkówki, kilka trybików maszynerii, która koduje rejestrowany przez siatkówkę obraz.
Po drugie, byłem urzeczony stopniem pewności, jaki osiągnęli Heinz i Brian. Ich badania anatomiczne dały nam nie tylko piękne, „typowe” obrazy komórek alfa i beta – jak w starych dobrych czasach kolekcjonerów motyli – lecz także potwierdzalne eksperymentalnie informacje o całych ich populacjach. Odkryta przez nich stereotypowość kształtu miała zatem ogromne znaczenie: podobnie jak klony mają typowy układ gałęzi, inny niż dęby, tak komórki alfa mają własny wzorzec, a komórki beta własny. Trudno to zaobserwować, kiedy dysponuje się tylko jednym rodzajem komórki – jednym klonem – ale gdy widzi się całą populację jednego typu, powtarzające się cechy charakterystyczne same rzucają się w oczy. Przy odrobinie praktyki badacz od razu rozpoznaje komórkę alfa i komórkę beta. Heinz odkrył dwa typy komórek, ale z pewnością musiało być ich więcej.
Byłem