Åpne i disse fantastiske tegningene av nevrovitenskapens far

Bildene er ikoniske for alle som har dyppet en tå i det enorme og gåtefulle bassenget av nevrovitenskap: Et delikat forgreningsmønster kommer fra og omgir en liten svart flekk. Varierte linjevekter antyder den tredimensjonale strukturen tegningen beskriver, og minner om et nakent treverk om vinteren. Dette er den spanske nevroatomisten Santiago Ramón y Cajls tegninger av nevroner.

Relatert innhold

• Vitenskapen bak vårt søk etter Waldo

Over fem tiår med arbeid skapte Cajal (1852-1935) mer enn 2900 tegninger som detaljerte nervesystemets arkitektur. Utallige timer med nøye observasjon informerte om tegningene og hjalp ham å innse to grunnleggende sannheter om nevroanomomi. Først utledet han at hjernen var sammensatt av mange individuelle celler, kalt nevroner, snarere enn en edderkoppvevlignende struktur av smeltede celler (synet til mange av hans samtidige). For det andre, de elektriske signalene disse cellene genererer flyt gjennom nevroner i en retning: forgrenede dendritter mottar pulsen, passerer den til hovedcellekroppen og deretter langs aksonene deres - lange fremspring som kan koble fjerne deler av hjernen.

For sitt arbeid delte Cajal Nobelprisen i fysiologi eller medisin fra 1906 med Camillo Golgi, en italiensk som oppfant vevsfarging metoden Cajal brukte for å se individuelle nevroner. Utrolig nok ville det gå flere tiår før andre forskere kunne bekrefte hans syn på hjernestruktur og funksjon. Nå er han innvarslet som far til moderne nevrovitenskap.

"Han var et geni og en stor vitenskapsmann, som var i stand til å se ting andre ikke kunne, " sier Eric Newman, en nevrovitenskapsmann fra University of Minnesota som medredigerte en ny bok om Cajal, The Beautiful Brain: The Drawings of Santiago Ramón y Cajal, med kollegene Alfonso Araque og Janet M. Dubinsky, også nevrovitenskapsmenn ved universitetet. Boken deres inneholder mer enn 80 av Cajls tegninger og er følgesvenn til en omreisende utstilling som åpnes 28. januar på Weisman Art Museum i Minneapolis.

Den vakre hjernen: tegningene av Santiago Ramon y Cajal

Kjøpe

Som boka og showet viser, var Cajal en dyktig kunstner, og observasjonskraften hans førte til at han ble en titan i vitenskapshistorien.

Den sterke skjønnheten i Cajals tegninger stammer fra de intrikate dikterene av nevronbiologi og den mørke Golgi-fargningsmetoden som Cajal perfeksjonerte, men hans arbeid inneholder noe mer. Mange av bildene er så informative at de fortsatt brukes i nevrobiologiklasser i dag. "Tegningene hans er fremdeles de beste tegningene, " sier Newman. "De illustrerer så mange viktige punkter." Selv moderne bildeteknologier kan ikke overgå elegansen som Cajal koblet sammen form og funksjon.

Boken er delt inn i fire hovedavsnitt. Den første introduserer menageriet til forskjellige celletyper i hjernen, fra de sprudlende forgrenende Purkinje-nevronene som holder kroppen oppreist og balansert til sparsomme nevroner som regulerer muskelkontraksjonene som beveger maten gjennom tarmen.

Den andre delen viser hvordan de mange cellene integreres for å lage sensoriske systemer. Her utforsker Cajals bilder hvordan hjernen og sanseorganene mottar og behandler lukter, syn og lyder. Den tredje delen inneholder tegninger av nevroner som jobber sammen i kretsløp, bygger veier som kobler sammen forskjellige deler av hjernen eller gir opphav til viss atferd. Den siste delen utforsker bilder av celler som vokser, deler og dør.

Newman skrev bildetekstene for bildene. "Fra en tegning til den neste prøver jeg å fortelle en historie slik at folk kan lære om nevrovitenskap mens de leser, " sier han. Men forklaringene hans er langt fra didaktiske; I stedet utspiller historien om nervesystemet seg overbevisende, lettet på ingen liten del av den visuelle behandlingen av Cajls verk.

"Noen av tegningene valgte vi først og fremst på grunn av deres skjønnhet, " sier Newman. Deretter måtte teamet dykke ned i Cajals tidsskrifter og originale vitenskapelige artikler for å bedre forstå konteksten og betydningen av hver tegning.

Boken inneholder også et essay av Larry W. Swanson, en nevrobiolog ved University of South California, og et annet medskrevet av Lyndel King, direktør og sjefkurator for Weisman Art Museum, og Eric Himmel, redaktør i Chief of Abrams Books, utgiveren.

Swanson fordyper seg i Cajals liv og vitenskapelige prestasjoner, og kaller ham "en fascinerende, flerdimensjonal, større enn livet karakter." King og Himmel utforsker hans kunst og metoder. Begge essays trekker fra mannens selvbiografi, Recollections of My Life .

Selvportrett, tatt av Cajal på laboratoriet hans i Valencia da han var i begynnelsen av trettiårene, ca. 1885. (Courtesy Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC) Selvportrett, tatt av Cajal på biblioteket hans da han var i trettiårene. (Courtesy Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC) Fire selvportretter tatt av Cajal da han var 34 år gammel, 1886. (Courtesy Instituto Cajal del Consjo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, © 2017 CSIC)

Cajal ble født i 1852 i en liten by i det nordøstlige Spania og beskrev seg som en dårlig student, sjenert og usosial, skriver Swanson. I ung alder tegnet han tvangsmessig og ønsket å være kunstner. Faren hans, en lokal lege, ønsket at han skulle bli lege. De to forsonet seg da Cajal oppdaget hvor mye menneskekroppen fascinerte ham og faren så hvor utmerkede tegningene hans var for å undervise i anatomi. Cajal gikk på en lokal medisinskole.

Etter at malaria fikk kontrakt under legetjenesten la Cajal for svak til å bli praktiserende lege, henvendte han seg til histologi, den mikroskopiske studien av kroppsvev. Han hadde også en teft for poetisk forklaring: Cajal skrev at histologien åpenbarte for ham “brummen av den rastløse bikuberen som vi alle har i oss.” På et selvbygget laboratorium i hjemmet honet han håndverket sitt. Et besøk i Golgi i Italia introduserte ham for den sølvbaserte metoden som flekker noen få tilfeldige nevroner dypsvart, som gir grunnlaget for tegningene hans.

Cajal destillerte ofte observasjoner av hundrevis av nevroner for å tegne den unike elegante strukturen i sitt endelige bilde. King og Himmel bruker en av sine selvportretter for å forestille seg den typiske dagen: Cajal sitter ved et bord som holder flere mikroskoper, hviler hodet på hånden og ser på betrakteren. Hyller med kjemikalier i glassflasker og beiset klut på bordet vitner om vevsfarging som er praktisert på dyrevev, inkludert de fra kaniner, frosker og duer samt på menneskelig kadavervev.

Essayistene forklarer at Cajal kunne kikke gjennom mikroskopet foran ham og tegne på en liten tegningsflate til siden. De skriver:

Han kan starte en tegning i blyant, og deretter senere gå over den i India blekk, legge til blekkvask eller akvarell for tonale områder. Ofte tilbrakte han en morgen ved mikroskopet uten å tegne i det hele tatt og trekke fra minnet på ettermiddagen og returnere til mikroskopet for å bekrefte og revidere observasjonene hans; vi kan se spor av prosessen i hvite områder som han ikke var fornøyd med.

Den møysommelige prosessen var nøkkelen til Cajls funn. "Du kan hevde at han bare var en mye bedre observatør og i stand til å tolke det han så på under mikroskopet, " sier Newman.

For Newman bærer Cajals verk spesiell resonans. Newmans egen forskning fokuserer på ikke-nevronale celler i hjernen som kalles glia. Tradisjonelt har disse cellene blitt sett på som passive støtteceller, den andre fele til nevroner. Bare de siste årene har denne ideen blitt veltet. Glialceller er store aktører som oppmuntrer og beskjærer forbindelsene mellom nevroner, hjelper til med å modulere nevron-signalering og regulerer blodstrømmen i hjernen. I enda et eksempel på innsikten, anerkjente Cajal glialcelleres betydning for mer enn et århundre siden.

"Han foreslo faktisk at mange av funksjonene til gliaceller som vi nå finner ut er sanne, " sier Newman.

Boken lukkes med et avsluttende essay av Dubinsky som gir og forklarer bilder av hjernen og dens strukturer opprettet med moderne teknikker og publisert i vitenskapelige tidsskrifter i dag. Disse inkluderer en hjernebue-mus, som har nevroner som lysstoff i omtrent 100 forskjellige farger, og en digital rekonstruksjon av enden av et akson - basert på elektronskanningsmikroskop og proteinidentifiserende eksperimenter - full av kjemiske budbringere som venter på å søle ut og sende informasjon til neste celle. Deres flerfargede prakt fremhever hva Cajal gjorde riktig så vel som hvor langt forskernes forståelse har kommet frem siden hans tid.

Selv den vitenskapelige sjenerte kan sette pris på den visuelle prakt av Cajals tegninger og hvor grundig de belyste hjernens mysterier, som kan virke like skremmende som selve universet. "Når vi ser på tegningene hans i dag, " skriver King og Himmel i sitt essay, "vi ser ikke diagrammer eller argumenter, men det første klare bildet av den avsidesliggende grensen, tegnet av mannen som reiste lengst inn i dens uendelige rekkevidde."

The Beautiful Brain ble publisert 17. januar og er tilgjengelig for kjøp. Ledsagerutstillingen med Cajals originaltegninger er på Weisman Art Museum i Minneapolis fra 28. januar til 21. mai. Gjennom hele året og utover våren 2019 skal den reise til Vancouver, Canada; New York City; Cambridge, Massachusetts; og til slutt Chapel Hill, North Carolina.