R. Douglas Fields
DRUGI MÓZG
Bąbelkowa folia czy błyszczący klej?
Mózg Einsteina
Wykonawszy ostatnie cięcie, rzucił skalpel na tacę ze stali nierdzewnej i sięgając obiema dłońmi w głąb otwartej czaszki, ostrożnie wyjął mózg. Za każdym razem, gdy trzymał w rękach ten ludzki organ, wyzwalało to w nim burzę myśli i emocji związanych ze śmiertelnością, indywidualnością, biologią, duchowością i tajemnicą czyjegoś własnego miejsca we wszechświecie. Zaledwie parę godzin temu to wszystko, co było jedyną w swoim rodzaju istotą ludzką, znajdowało ucieleśnienie w tych niespełna dwóch kilogramach poskręcanych tkanek. Patolog odczuwał już wprawdzie podobne emocje niezliczoną ilość razy, tym razem jednak było to co innego. Ciało spoczywające przed nim na stole z nierdzewnej stali należało do Alberta Einsteina, a mózg, który trzymał w dłoniach, był mózgiem Einsteina.
Oglądając go dokładnie w jasnym świetle lamp sekcyjnych, patrzył z niekłamanym zachwytem na ten uginający się pod swoim własnym ciężarem jak galareta narząd, wyglądający jak każdy inny ludzki mózg, który jednak zrodził jeden z najwspanialszych umysłów minionego stulecia. Nagle dr Thomas Harvey zobaczył w tym mózgu swe własne przeznaczenie i cel. Ten mózg był przeznaczony dla niego.
Wypłukał starannie mózg w roztworze soli z zalegającej weń krwi,
zmierzył go i zważył, a następnie zanurzył w świeżo przygotowanym
roztworze formaldehydu, którego opary szczypały go w nos i oczy.
Podczas gdy ciało tego wielkiego człowieka odprowadzano na wieczny
spoczynek, jego fenomenalny mózg leżał zanurzony w słoiku ze
środkiem konserwującym jak ciekawy eksponat muzealny, ukryty na
kolejne czterdzieści lat przez patologa, który poczuł nieodparty
przymus zatrzymania go dla siebie. Była to profanacja, czyn
nieetyczny i nielegalny, Harvey czuł jednak, że było mu to sądzone
i że jest winien nauce i ludzkości rozwikłanie tajemnicy, dzięki
której z tego mózgu wyłonił się tak wspaniały umysł.
Było to zadanie zdecydowanie ponad siły tego człowieka, który podjął się roli strażnika bezcennego naukowego skarbu. Przez następne czterdzieści lat Harvey udostępniał maleńkie plasterki tego mózgu naukowcom i pseudonaukowcom na całym świecie, którzy poddawali je wszelkiego rodzaju testom, szukając klucza do geniuszu Einsteina.
Oto leżał przed nim umysł tak nadzwyczajny, że poczęły się w nim myśli przekraczające granice wyobraźni każdego innego umysłu i dla wielu umysłów niemożliwe do pojęcia nawet wtedy, gdy teoria względności została już w pełni sformułowana i ubrana w słowa. Umysł, w którym narodziła się myśl, że można zaginać czas. Czas i przestrzeń, materia i energia zatraciły swą tożsamość i przekształcały się swobodnie w siebie wzajemnie, a czas kurczył się i rozszerzał, dostrajając się płynnie do zdarzeń. I pomyśleć, że jedynym narzędziem użytym w tym zakończonym tak rewelacyjnym sukcesem dziele była siła myśli - umysłu wyobrażającego sobie samego siebie pędzącego na wiązce światła.
Trzydzieści lat po tym, jak ukradziono mózg Einsteina, cztery jego kawałki trafiły do cenionej neuropatolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Trzymała ona teraz w rękach fiolki zawierające cztery skrawki tkanki pobrane ze starannie dobranych obszarów kory mózgowej Einsteina. Dr Marian Diamond wnioskowała, że skoro geniusz Einsteina odznaczał się nadzwyczajnymi zdolnościami wyobraźni i abstrakcyjnego myślenia oraz wyższymi funkcjami poznawczymi, fizycznego podłoża tego geniuszu należy szukać w obszarach kory mózgowej odpowiedzialnych za owe funkcje poznawcze, a nie w obszarach zawiadujących innymi funkcjami, takimi jak słuch, wzrok czy kontrola motoryczna, które u Einsteina niczym szczególnym się nie wyróżniały. Harvey powycinał z kory mózgowej Einsteina małe kostki, ponumerował je i zatopił w celloidynie, związku nitrocelulozy, która po zastygnięciu oblewała tkankę jak bursztyn owada. Diamond chciała zbadać dwie próbki kory asocjacyjnej, części kory mózgowej, w której wszystkie informacje się łączą i zostają poddane analizie oraz syntezie. Poprosiła Harveya, by przesłał jej jedną próbkę z okolicy przedczołowej znajdującej się tuż za czołem i jedną z okolicy ciemieniowej dolnej, położonej nieco z tyłu, poniżej uszu. Zależało jej na tym, by otrzymać próbki z obu półkul mózgowych, gdyż u większości ludzi poszczególne półkule dominują w różnych funkcjach poznawczych, analogicznie do tego jak różny kontakt nawiązujemy ze światem, posługując się prawą i lewą ręką. Kora przedczołowa odpowiada za planowanie, pamięć bliską, myślenie abstrakcyjne i kategoryzację informacji.
Niesławny zabieg lobotomii przedczołowej polega na odłączeniu tej części od reszty mózgu, co pozwala zachować podstawową sprawność intelektualną nienaruszoną, czyni jednak chorego potulnym na skutek utraty wyższych zdolności poznawczych umożliwiających myślenie abstrakcyjne i syntezę doświadczeń. Diamond poprosiła także o próbki kory ciemieniowej dolnej Einsteina, gdyż ta część mózgu ma związek z wyobraźnią, pamięcią i uwagą. Osoby z uszkodzeniem kory tej okolicy, zwłaszcza dominującej (lewej) półkuli mózgowej, tracą zdolność rozpoznawania słów i liter i nie potrafią czytać ani liczyć. W literaturze medycznej znajdziemy opis przypadku matematyka, który nie potrafił wyprowadzić wzoru matematycznego po doznanym uszkodzeniu tej części mózgu.
Pomimo że dr Marian Diamond lata całe spędziła na badaniach anatomii kory mózgowej człowieka, ogarnęły ją zachwyt, podniecenie i nastrój radosnego oczekiwania: patrzyła na trzymane pod światło cztery kawałki mózgu, wielkości kostek cukru o kremowej barwie. Były inne - w każdym razie na pewno taki był umysł, który się z nich wyłonił. Gdyby mogła odkryć tajemnice, dzięki którym ta tkanka mózgowa zrodziła geniusz Einsteina, odkrycie to umożliwiłoby poznanie mechanizmów komórkowych łączących mózg z umysłem. Moglibyśmy się dowiedzieć, jak działa nasz mózg i jak to się dzieje, że chore mózgi tych ludzi, którzy mają trochę mniej szczęścia, działać przestają.
Diamond będzie musiała porównać te próbki z odpowiednimi próbkami kontrolnymi. Jej podniecenie ustąpiło teraz miejsca wątpliwościom. Mimo że w laboratorium otaczały ją pudełka z preparatami mikroskopowymi próbek ludzkiego mózgu, tylko jeden z nich pochodził z mózgu Einsteina. Wyjątkowość mózgu Einsteina sprawiała, że niezależnie od uzyskanych wyników nie będzie mogła powtórzyć eksperymentu. Dręczącą każdego naukowca wyciągającego wnioski z przeprowadzanego badania niepewność będzie znacznie trudniej rozwiać bez możliwości powtórzenia go. Wnioski wyciągnięte na podstawie jakichkolwiek wyników mogą być mylne, nauka rozwija się jednak przez obserwacje, zbieranie danych i kojarzenie faktów. Czy lepiej w ogóle nie podejmować się takiego zadania?
Naukowcy radzą sobie z brakiem pewności wyników badań, wykonując pomiary i matematycznie wyliczając szansę na to, że różnica miedzy wynikami grupy kontrolnej i grupy badanej jest tylko dziełem przypadku. Podobnie można ocenić znaczenie dowodowe jasnego włosa znalezionego na miejscu zbrodni, znając prawdopodobieństwo znalezienia jasnego włosa w całej populacji.
Diamond i jej współpracownicy rozpoczęli przygotowania do badania budowy komórkowej próbek. W tym celu należało je pociąć na skrawki cieńsze od średnicy komórki i wybarwić, tak by w gąszczu komórek tworzących tkankę można było wyodrębnić pojedyncze neurony. Skrawki te są tak cienkie, że dopiero stos piętnastu dorównuje grubością włosowi ludzkiemu. Przed dr Diamond stał rząd szklanych naczyń wypełnionych roztworami o żywych barwach, od głębokiego fioletu po lśniący róż, który zmieniał się w zieleń w zależności od tego, jak padało na niego światło, podobnie jak plama ropy na wodzie. Diamond zebrała kilka wycinków tkankowych i używając bardzo delikatnego pędzelka, wrzuciła każdy z nich do naczynia z roztworem barwnika.
Następnego dnia, kiedy oglądała preparaty pod mikroskopem, z bezkształtnej mgły wyłoniły się cienie; nagle, niby obraz oglądany przez okno samolotu schodzącego z chmur, wszystko stało się ostre i ukazały się najdrobniejsze szczegóły jak panorama miasta. Komórka, na którą patrzyła, była neuronem z badanego regionu kory Alberta Einsteina. Może to ten właśnie neuron wyobrażał sobie jazdę na wiązce światła. Jaka była różnica między tym neuronem a „zwykłym”, z innego obszaru jego kory, który wysyłał do jego palców komendy, może po to, by napisać na kartce papieru symbole matematyczne, które przeniosły to wyobrażenie do namacalnej rzeczywistości? jak bardzo podobny był ten neuron do analogicznego znajdującego się w jej korze i wysyłającego obrazy i myśli krążące w obwodach w jej własnym umyśle, gdy kontemplowała bezcenny skarb i tajemnicę leżącą przed nią? Jak taka mikroskopijna komórka mogła tak radykalnie zmienić świat? Jak wyglądałoby porównanie tej komórki z neuronem w takim samym obszarze kory mózgowej Isaaca Newtona? Postęp w nauce i technice zachodzi przez sumowanie tysięcy drobnych kroków, czasem jednak dzięki wielkim koncepcjom, takim jak pogląd Kopernika na Układ Słoneczny, prawo ciążenia i ruchu Newtona, teoria ewolucji gatunków Darwina i teoria względności Einsteina, dokonuje się zdecydowany krok do przodu. Można wyliczyć jeszcze wiele takich skoków, a właśnie ten neuron pochodził z umysłu, który zmienił świat.
Po wielu dniach spędzonych na starannym liczeniu i mierzeniu komórek Diamond podsumowała wyniki i porównała je z identycznymi obszarami jedenastu mózgów kontrolnych pochodzących od mężczyzn w wieku od czterdziestu siedmiu do osiemdziesięciu lat. Nie było żadnej różnicy.
Neuron z mózgu geniusza był nie do odróżnienia od neuronu pobranego ze „zwykłego” mózgu. A średnio w kreatywnej korze mózgowej Einsteina było tyle samo neuronów, ile w korze mózgowej ludzi nieuznawanych za specjalnie kreatywnych. W wynikach była tylko jedna różnica. Liczba komórek, które nie były neuronami, mieściła się poza wykresem we wszystkich czterech badanych obszarach mózgu Einsteina. Średnio w próbkach ze „zwykłej” tkanki mózgowej jedna komórka niebędąca neuronem przypadała na dwa neurony, a w próbkach z mózgu Einsteina było prawie dwa razy więcej komórek nieneuronalnych, około jednej na jeden neuron. Największa różnica widoczna była w próbce kory ciemieniowej z półkuli dominującej mózgu Einsteina, w miejscu, gdzie zachodzi myślenie abstrakcyjne, obrazowanie wizualne oraz myślenie złożone. Czy był to tylko szczęśliwy traf? Diamond obliczyła matematyczne szansę na to, że różnica taka jest dziełem przypadku, biorąc pod uwagę zakres zmienności we wszystkich próbkach tkanek kontrolnych. W badanych obszarach mózgu Einsteina prawdopodobieństwo, że różnica taka zdarzyła się przez przypadek, było bardzo niewielkie.
Jedyna różnica, jaką Diamond zauważyła między mózgiem Einsteina i mózgiem przeciętnym, dotyczyła komórek nieneuronalnych. Czy mogła to być „komórkowa” podstawa geniuszu? Jak? Co robiły te komórki nieneuronalne, zwane glejowymi? Od kilkudziesięciu lat komórki glejowe uważano za niewiele więcej niż bąbelkowe opakowanie umysłu, tkankę łączną podtrzymującą neurony w znaczeniu fizycznym, a być może odżywczym, ale w mózgu Einsteina było ich więcej. Spekulacje na temat udziału komórek glejowych w czynnościach umysłowych nie mieściły się w głowach większości badaczy układu nerwowego. Sama nazwa tych komórek widniała na pieczęci zamykającej przed nimi umysły na całe stulecie - neuroglia to po łacinie klej neuronów.
Intelektualna biała plama: komórki glejowe ukryte w świetle jupiterów
Aby docenić znaczenie odkryć dr Diamond, trzeba poznać pewne podstawowe fakty dotyczące komórek glejowych i zastanowić się nad genezą obecnie przyjętych poglądów na temat tego, jak pracuje mózg. Większość ludzi wyobraża sobie układ nerwowy jako coś na kształt plątaniny przewodów w sieci telefonicznej. Obraz ten nie zmienił się zbytnio na przestrzeni minionych stu lat. Koncepcja ta zakorzeniła się tak głęboko, że trudno wyobrazić sobie układ nerwowy działający w jakikolwiek inny sposób lub nawet pomyśleć o tym, że w czasach, gdy zrodził się ten pogląd, uważany był on za radykalny, a kontrowersje i burzliwe dyskusje wokół niego toczyły się przez dwadzieścia pięć lat.
Santiago był chłopcem o duszy artysty, urodzonym w 1852 roku, synem hiszpańskiego lekarza. Doskonale rysował i bardzo mu się podobała nowa sztuka fotografii, takie jednak zainteresowania nie dałyby mu popłatnego zawodu. Podczas studiów medycznych spędzał całe godziny, tworząc rysunki anatomiczne zwłok, których sekcje wykonywał starannie jego ojciec.
W wieku trzydziestu trzech lat Santiago Ramón y Cajal (wym. Kahall) objął stanowisko profesora anatomii w Saragossie w Hiszpanii. W roku 1887 podczas pobytu w Madrycie zobaczył preparat mikroskopowy tkanki nerwowej barwionej metodą opracowaną przez włoskiego anatoma Camillo Golgiego czternaście lat wcześniej. Widok ten zmienił życie Ramóna y Cajala. Porzucił swe dotychczasowe, wysoko oceniane badania w dziedzinie bakteriologii, objął katedrę Histologii Prawidłowej i Patologicznej w Barcelonie i poświęcił się doskonaleniu i zastosowaniu metody barwienia Golgiego dla poznania budowy komórkowej mózgu. Przez czternaście lat metoda Golgiego nie przyciągała niczyjej uwagi, była bowiem kapryśna. Barwienie często się nie udawało, gdy jednak wszystko szło jak należy, rezultaty były oszałamiające.
Metoda barwienia wykorzystuje tę samą reakcję chemiczną, jaką stosowano w stanowiącej absolutną nowość fotografii czarno-białej, którą tak się interesował Ramón y Cajal. Z powodów ciągle jeszcze okrytych tajemnicą barwnik jest wychwytywany tylko przez niewielką liczbę neuronów, może jeden na sto. Te jednak, które go wychwycą, wybarwiają się w całej krasie i są widoczne w najdrobniejszych szczegółach, jak czarna sylwetka dębu na tle żółtego zimowego zachodu słońca. Jeżeli metoda barwiłaby wszystkie komórki w próbce, byłaby bezużyteczna, gdyż gałęzie komórek nerwowych upchane razem w każdym skrawku tkanki mózgu tworzyłyby poplątany gąszcz. Zamiast tego Ramón y Cajal widział pojedyncze neurony odsłonięte i w całości, jak skamieliny odłupane od kamienia.
Dzisiaj myśl o mózgu nasuwa najczęściej analogię do komputerów czy układów elektronicznych, przed erą elektroniki jednakże przeważał inny model. Dziewiętnastowieczne młyny i fabryki wykorzystywały energię wody kierowanej z rzek i strumieni na koła wodne, a następnie powracającej kanałami do strumieni i rzek, z których pochodziła. Mechanizmy hydrauliczne były najbardziej rozwiniętą formą przenoszenia siły na odległość. Siłę można przyłożyć tam, gdzie jest potrzebna, stosując system zaworów łączących rurki i węże nadające jej kierunek. W tamtych czasach tak samo wyglądał model funkcjonowania układu nerwowego. Sądzono, że nerwy w naszym ciele są zespawane jak rurki i przekazują siłę do mięśni. Pod mikroskopem widać było tworzące każdy nerw cieniutkie rureczki, a wszystkie one musiały być połączone zaworami i prowadzić do głównego cylindra w mózgu. Wewnątrz mózgu również było widać tysiące mikroskopijnych rurek, zwanych aksonami, biegnących drogami istoty białej, prążkami pokrywającymi tkankę mózgu.
Górny bieg tej rzeki znajdował się w istocie szarej, tworzącej grubą łupinę na pofałdowanej powierzchni mózgu, podobnie jak łodyga brokuła rozdziela się na cieńsze gałęzie zakończone zielonymi kwiatami. Metoda barwienia Golgiego ukazywała pojedyncze komórki nerwowe zwane neuronami w najdrobniejszych szczegółach, szczegóły te jednak były odmiennie interpretowane przez dwie grupy uczonych. Golgi ujrzał akson, wiotką rurkę wychodzącą z ciała każdego neuronu, sięgającą na znaczne odległości i rozgałęziającą się, by łączyć się z innymi aksonami przez niezliczoną ilość połączeń. Ta sieć wzajemnie połączonych włókien pozwoliłaby z ogromną łatwością przekazywać komendy nerwowe lub przyjmować wiadomości przychodzące od narządów zmysłów. Po przeciwnej stronie komórki Golgi zobaczył mocno rozgałęzione, spiczaste korzonki nazywane dendrytami, gdyż przypominały drzewa. Dendryty, jak przypuszczał, służyły do pobierania składników pokarmowych odżywiających komórkę nerwową i napędzających przepływ energii nerwowej, czyli, jak obecnie wiadomo, prądu elektrycznego biegnącego przez sieć aksonów. Ramón y Cajal patrzył na ten sam materiał, stosując tę właśnie metodę barwienia, którą wynalazł Golgi, i widział coś zupełnie innego. Ramón y Cajal przedstawił nową teorię znaną później jako „doktryna neuronów”.
Ramón y Cajal pracował gorączkowo szesnaście godzin na dobę, siedem dni w tygodniu, badając fragmenty tkanki mózgowej zwierząt różnych gatunków, w różnym wieku i pobraną z różnych okolic mózgu. Oglądał próbki pochodzące od ludzi, królików, psów, świnek morskich, szczurów, kurcząt, ryb, żab, myszy i płodów zwierząt. Z precyzją godną artysty rysował sylwetki neuronów, a badając je, zaczął dostrzegać pewną logikę w ich budowie. Aksony, te przypominające przewody wypustki neuronów, mogły pokonywać w mózgu ogromne odległości, zawsze jednak kończyły się w sąsiedztwie dendrytów, cienko rozgałęzionych korzonków neuronów. Nagle zrodziła się nowatorska koncepcja, Ramón y Cajal zdał sobie sprawę, że neuron nie był węzłem w sieci, tylko odrębną jednostką. Co więcej, neuron wykazywał czynnościową biegunowość. Ramón y Cajal uświadomił sobie, że sygnały nie rozchodziły się w sieci neuronów we wszystkich kierunkach, jak drgania w pajęczynie. Sygnały były przewodzone przez neurony w jednym kierunku, jak ciągnione przez konie bryczki na jednokierunkowej drodze. Informacje przychodziły do neuronu przez jego przypominające korzenie dendryty, a komendy wychodziły przez akson wyrastający z jego przeciwnego krańca. Akson nie łączył się z siatką innych aksonów, kończył się zawsze na dendrycie innego neuronu. Jakimś sposobem sygnały nerwowe przechodziły przez próg między aksonem i dendrytem do następnej komórki, podobnie jak znikają pudełka pozostawione na schodkach przed wejściem do domu odbiorcy. Zawartość komórkowa (protoplazma) dwóch neuronów nie łączyła się ze sobą tak jak płyn w układzie hydraulicznym.
Ta przerwa między aksonem i dendrytem nosi nazwę synapsy. Mózg, przekazując wiadomość od aksonu do dendrytu w każdej synapsie lub jej nie przekazując, kieruje przepływem informacji w sposób niezwykle skomplikowany, podobnie do centrali zawiadującej rozmowami telefonicznymi.
Ramón y Cajal został najsławniejszym neuroanatomem dwudziestego wieku, a w roku 1906 otrzymał wraz ze swym rywalem Camillo Golgim, twórcą podstawowej metody barwienia, który jednak nie zgadzał się z jego doktryną neuronów, Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Ramón y Cajal wykonał gigantyczną pracę, dokonywał odkrycia za odkryciem i publikował na temat budowy komórkowej mózgu tomy naukowych artykułów i książek stanowiących po dziś dzień bogate i wartościowe źródło ścisłych informacji. Same pozostawione przez niego rysunki oddają wielkość jego geniuszu.
Bezładne masy struktur komórkowych widoczne w każdym preparacie mikroskopowym załamują się we wnikliwej soczewce artystycznego oka Ramóna y Cajala, tworzącego rysunki wychwytujące najważniejsze informacje. Pionierska droga przez puszczę skomplikowanej budowy mózgu nigdy go nie zawiodła, tak by przedstawił coś, czego tam nie było - nie narysował marsjańskich kanałów ani homunkulusa w głowie kaszalota. Był rozważny i ostrożny, starał się nigdy nie mieszać rzeczy, które do siebie nie pasowały.
Wśród rzeczy, które wyraźnie widział, ale zawsze pomijał na rysunkach przedstawiających neurony, były komórki glejowe. Rysował je oddzielnie, wypełniając w ciągu lat swoich badań tomy zeszytów tymi komórkami o dziwnym wyglądzie. Komórki te fascynowały go, ale ich struktura widoczna po wybarwieniu metodą Golgiego nie mówiła nic o ich funkcji. Komórki glejowe nie miały ani przypominającego przewód aksonu, ani podobnych do korzonków dendrytów. Pod mikroskopem większość z nich wyglądała jak dziura po kuli w szklanej tafli: okrągły środek z cienkimi, przypominającymi pęknięcia wypustkami, rozchodzącymi się promieniście na kształt aureoli. Ramón y Cajal nazwał je „komórkami pajęczymi” ze względu na liczne protoplazmatyczne odnóża odchodzące we wszystkich kierunkach od korpulentnego ciała komórki. Innym uczonym komórki te przypominały gwiazdy i nazwali je „astrocytami”. Nazwa ta przetrwała do dziś na określenie jednego z czterech głównych przyjętych obecnie typów komórek glejowych. Ale Ramón y Cajal widział komórki glejowe pojawiające się w nieskończonej ilości dziwacznych kształtów. Niektóre z nich wyglądały jak groteskowe wachlarzowate korale, inne jak kiełbaski nawleczone na aksony. Zdaniem większości autorytetów owe komórki nieneuronowe tworzyły rodzaj tkanki łącznej dla mózgu, wypełniającej przestrzeń pomiędzy neuronami. Nawet gdyby te szczególne komórki mózgowe pełniły jakąś ważniejszą funkcję, to Ramón y Cajal zdawał sobie sprawę, że ich sekretów nie można było poznać, posługując się prymitywnymi narzędziami, jakimi dysponował. Mądrze rysował każdą z tych komórek oddzielnie, a postępując tak, rzucił przyszłym pokoleniom neurobiologów milczące wezwanie, pytając ich: Czym jest druga połowa mózgu?
Komórki glejowe słuchają: snop światła na tajemnicę Ramóna y Cajala
Dziewięćdziesiąt lat później siedzę w maleńkim pokoju, a moją twarz oświetla zimny niebieski odblask monitorów komputerów. Po mojej lewej stronie stoi masywny, wielkości bilardowego, stół ze stali nierdzewnej, jego ośmiocalowej grubości blat spoczywa na tłokach powietrznych osadzonych w masywnych stalowych nogach, aby zapewnić precyzyjną, optycznie płaską i pozbawioną drgań powierzchnię. Stół pokrywają przyrządy elektroniczne połączone ze sobą i ściśle do niego przymocowane. Powietrze wypełnia warkot wentylatorów chłodzących przerywany trzaskiem zaworów automatycznych oraz osłon, dobywającym się z wnętrza instrumentów. Grube czarne węże dostarczają schłodzoną wodę do znajdującego się w sąsiednim pokoju urządzenia wielkości pralki, by chłodzić laser ultrafioletowy stanowiący jego serce. Karbowany wąż podobny do dyszy suszarki do bielizny odsysa z małego pokoju toksyczne opary ozonu.
Pośrodku stołu stoi skrzynia wielkości dużej szafki, wykonana z jaskrawo pomarańczowego przezroczystego pleksiglasu, mająca mnie osłaniać przed światłem ultrafioletowym. W skrzyni znajduje się jedyny przedmiot w tym pokoju, jaki rozpoznałby Ramón y Cajal: mikroskop. Instrument ten wprawiłby go w zachwyt. Masywny i precyzyjnie zbudowany, prawie trzy razy większy od mikroskopu, którego używał do oglądania próbek mózgu odcinanych brzytwą. Niemniej rozpoznałby podstawowe elementy mikroskopu - ruchomy stolik na preparaty i dwa okulary podobne do tych, przez które patrzył z dziecięcym zachwytem. Teraz używane są właściwie tylko po to, by pośpiesznie ocenić położenie próbki pod obiektywem przed zamknięciem jego osłony i skierowaniem strumienia światła do aparatu cyfrowego lub powielaczy fotoelektronowych, wzmacniających niewyraźny obraz i przenoszących pole widzenia mikroskopu na ekran komputera. Nawiguję mikroskopem, używając joysticka jak pilot helikoptera.
Obracając gałkę jak na skali radioodbiornika, przeglądam optyczne przekroje komórki od góry do dołu, rozbierając ją na części plaster po plastrze. Najpierw plamka błony komórkowej jak ślad pozostawiony przez piłkę wyrzuconą z okna. Następnie pierścień, tak jakbym odciął wierzchołek piłki i dalej posuwał się w głąb kolejnymi cięciami przez całą jej grubość aż do przeciwległej powierzchni, rejestrując po drodze wszystkie najdrobniejsze struktury, od błony komórkowej po jądro. By było jeszcze ciekawiej, powiem, że komórki, które teraz badam, posługując się tym wysokiej klasy mikroskopem świetlnym, są żywe. Pobrano je z płodu myszy, wyizolowano i hodowano przez ponad miesiąc w laboratoryjnym inkubatorze, służącym jako sztuczna macica zapewniająca im ciepło i dopływ tlenu.
Ramón y Cajal rozpoznałby natychmiast obraz na ekranie jako neurony. Zidentyfikowałby je nawet dokładnie po ich jedynym w swoim rodzaju kulistym kształcie jako te, które przenoszą odczuwanie dotyku, ciepła i bólu ze skóry do naszego rdzenia kręgowego. Komórki te nazywane są neuronami zwojów korzeni grzbietowych (dorsal root ganglion, DRG). Byłby jednak oszołomiony obrazem tych komórek widocznych tak ostro, jakby pocięto je na niesamowicie cienkie przekroje.
Zakładam specjalne okulary i widzę, jak ekran komputera zmienia się w otwarte okno, w którym zawieszone są owe pojedyncze neurony DRG bujające w przestrzeni trójwymiarowej jak ozdoby świąteczne. Ramón y Cajal byłby pewnie zadziwiony, widząc, jak dotknięciem palca na komputerowej myszce obracam komórkę wokół dowolnej osi, by zobaczyć najdrobniejsze szczegóły jej budowy wewnętrznej.
Ale najlepsze dopiero przede mną. Urządzenie, przy którym siedzę, to skanujący laserowy mikroskop konfokalny, pierwszy w naszym instytucie przy Narodowym Instytucie Zdrowia. W odróżnieniu od zwykłego mikroskopu świetlnego mikroskop ten ukazuje nie tylko wszystkie struktury komórki w precyzyjnych przekrojach optycznych, ale również toczące się w niej procesy biochemiczne i fizjologiczne, pokazuje, jak cząsteczki poruszają się we wnętrzu żywych komórek i pomiędzy nimi, przenosząc wiadomości i rozkazy od sygnałów elektrycznych na ich powierzchni do serca każdej komórki, jakim jest jądro. Wtedy, w roku 1994, było to jedno z kilku takich urządzeń na terenie kraju, obecnie jednak na żadnym dużym uniwersytecie nie ma zakładu badawczego, który nie posiadałby takiego mikroskopu, a większość ma ich kilka.
Rewelacje z głębin
Dwadzieścia lat wcześniej, będąc biologiem morskim w Instytucie Oceanografii imienia Scripps w San Diego, prowadziłem w lecie badania nad żyjącymi w głębinach oceanu rybami zwanymi chimerami, które unoszą się z głębin wraz z zimnym prądem podchodzącym pod powierzchnię w regionie północnego Pacyfiku w okolicy wysp San Juan w stanie Washington, gdzie znajduje się Laboratorium Morskie Friday Harbor. Naukowcy z całego świata zjeżdżają się tam, organizując coś w rodzaju obozu letniego, gdzie mogą bez przeszkód przez całą dobę prowadzić badania. Gdy przygotowywaliśmy się do wejścia na pokład łodzi rybackiej, by pobrać próbki za pomocą sieci dennej, zauważyłem kilku podekscytowanych studentów biegających tam i z powrotem po molo z siatkami na motyle i zanurzających je w wodzie, by złapać maleńkie meduzy, wielkości srebrnej dolarówki, znane pod nazwą Aequorea victoria. Te piękne przezroczyste stworzenia często spędzają lato na wodach Friday Harbor, nie mogłem jednak zrozumieć entuzjazmu zbieraczy. W odpowiedzi na moje pytanie jeden ze studentów wyjaśnił, że interesują się bioluminescencją meduz, czyli zdolnością wielu istot morskich do emisji zimnego światła, zwykle zielononiebieskiej fosforescencji. „Dlaczego? Próbujecie dowiedzieć się, jak wytwarzają światło?” - spytałem.
„Nie, to wiemy. Izolujemy białko, które wytwarza światło, gdy łączy się z wapniem. Wstrzykujemy to białko, aekworyne, do komórek, żeby badać prądy wapniowe”.
Nagle zrozumiałem. Elektrofizjolodzy badają aktywność nerwów przy użyciu wyjątkowo cienkich elektrod, które wkłuwają do komórek nerwowych, posługując się manipulatorami, by umieścić je dokładnie pod mikroskopem. Przepływ jonów we wnętrzu komórki nerwowej wytwarza biologiczny prąd elektryczny, który, znacznie wzmocniony przez urządzenia elektroniczne i ukazany na fosforyzującym ekranie oscyloskopu, pozwala naukowcom zobaczyć impulsy nerwowe biegnące po obwodach tworzonych przez neurony, podobnie jak lekarze śledzą bicie serca na monitorze w sali operacyjnej. Elektrofizjolodzy chcą wiedzieć, jak powstają te prądy elektryczne i jak są regulowane, i które spośród wielu jonów obecnych we wnętrzu komórki biorą udział w ich powstawaniu. Jest to trudne zadanie, które wykonuje się zwykle, dodając różne jony do roztworów, w których znajdują się komórki nerwowe, lub stosując leki, które blokują pewne kanały jonowe w błonie komórkowej przepuszczające różne jony - sodu, potasu, wapnia - do wnętrza komórki.
Gdyby naukowcom udało się wykorzystać tę technikę, mogliby wstrzyknąć fluoryzujące białko meduzy do komórki nerwowej i obserwować ją pod mikroskopem. Jeżeli prąd wapniowy płynąłby do komórki lub wewnątrz niej, widzieliby jego ślad w postaci pozostawionej przezeń poświaty zielonej fosforescencji podobnej do smugi odrzutowca na bezchmurnym niebie. Zobaczyliby na własne oczy reakcje biochemiczne i procesy fizjologiczne zachodzące w żywej komórce. I mogliby obserwować te zdarzenia w czasie rzeczywistym i w trójwymiarowej przestrzeni zamiast zielonych smug i pików zjawisk elektrycznych ukazujących się na ekranie oscyloskopu. Obecnie, dwadzieścia lat później, przygotowywałem neurony DRG, umieszczając je kolejno w różnych roztworach, aby wchłonęły wiążący wapń barwnik bardzo podobny do tego izolowanego z meduz. Hodowałem te komórki w naczyniu wyposażonym w platynowe elektrody, dzięki którym mogłem uwalniać słabe wstrząsy elektryczne pobudzające neurony DRG do wytwarzania impulsów. Gdy neuron generuje impuls, zmiana napięcia elektrycznego błony komórkowej powoduje otwarcie kanałów białkowych w jej obrębie, co pozwala jonom wapniowym wniknąć do wnętrza komórki. Patrzyłem z zachwytem, jak po każdym wytworzonym impulsie komórka rozbłyska światłem w wyniku połączenia wnikających do niej jonów wapnia z barwnikiem fluoryzującym. Przed dziesięciu laty, gdy po raz pierwszy wraz kolegami zobaczyłem, że to się dzieje, nasze okrzyki radości niosły się echem po korytarzach.
Ten eksperyment był inny. Poprosiłem Beth Stevens, moją laborantkę, która później ukończyła studia na moim wydziale (obecnie jest świeżo mianowaną profesor Uniwersytetu Harvarda), aby do hodowli neuronów DRG dodała komórki glejowe. Typ komórek glejowych, które dodaliśmy, nosi nazwę komórek Schwanna. Komórki Schwanna znajdujące się w nerwach przyczepiają się do aksonów i tworzą warstwę izolacji elektrycznej zwanej mieliną wokół aksonów o dużej średnicy lub zatapiają w swym wnętrzu kilka mniejszych aksonów jak hot dog zawierający kilka parówek. Komórki glejowe stanowią strukturalną, a być może również fizjologiczną podporę aksonu. Impulsy nerwowe są oczywiście przewodzone wyłącznie przez aksony. Dotychczas sądzono, że komórki glejowe izolują aksony jak plastykowa osłona kabla, ale nie mogą wykrywać impulsów płynących przez neurony. Chcieliśmy sprawdzić to założenie.
Po miesiącach przygotowań doszedłem do momentu, dla którego żyją wszyscy naukowcy - gdy po przekręceniu przełącznika twoja hipoteza zostanie potwierdzona lub nie. Ekran komputera przekształca natężenie światła fluorescencyjnego w komórce w kolorową skalę podobną do telewizyjnej mapy pogody ukazującej opady. Im więcej wapnia, tym jaśniejsze światło, a im jaśniejsze światło, tym cieplejszy kolor. Neurony DRG oraz komórki Schwanna były ciemnoniebieskie, co oznaczało niewielką zawartość wapnia w ich wnętrzu. W chwili gdy przekręciłem przełącznik, aby pobudzić neurony, zmieniły one stopniowo barwę z niebieskiej na zieloną, a później na czerwoną i na białą, co wskazywało na napływ wapnia do ich cytoplazmy. Komórki Schwanna niemające zdolności wytwarzania impulsu ani wykrywania słabego wstrząsu elektrycznego, który powoduje wyładowania w neuronach, pozostały niebieskie. Następnie po piętnastu długich sekundach rozczarowania Beth i ja zauważyliśmy z zachwytem, że komórki Schwanna zapalają się nagle jak świąteczna choinka. Komórki glejowe jakimś sposobem wykryły impuls generowany w aksonach i odpowiedziały wzrostem stężenia wapnia w swym wnętrzu. Komórki glejowe, uważane przez lata za niewiele więcej niż bąbelkowa folia, w którą opakowano mózg, były wtajemniczone w informacje przekazywane między neuronami. Teraz pojawiło się nowe pytanie. W jaki sposób komórki te przechwytywały sygnały elektryczne płynące w aksonach komórek nerwowych? A co ważniejsze, dlaczego?