Нейрогастрономия. Почему мозг создает вкус еды и как этим управлять

Глава 5

Молекулы запаха и их рецепторы

Большинство объяснений того, как системы мозга вовлечены в создание вкусовых ощущений, начинаются с восприятия вкуса. Тем не менее мы уже обосновали, что непосредственно вкусу в формировании вкусовых ощущений отведена второстепенная роль, а главной же составляющей является запах, так что мы сосредоточимся именно на запахе. Это первый шаг к пониманию научного фундамента нейрогастрономии.

Восприятие запаха начинается с попадания одорированных молекул на молекулы обонятельных рецепторов нашего носа. Здесь мы сталкиваемся с еще одним парадоксом. Исследователи уже много лет изучают одорированные молекулы в нашей пище. Компании – производители полуфабрикатов содержат целую армию специалистов по органической химии, которые изучают стимулирующие свойства тысяч химических соединений и пытаются соотнести их с тем, как на них реагируют наши органы чувств. Вот только танго всегда танцуют двое – то есть молекулы запаха и рецепторные молекулы[30], которые их воспринимают. До 1991 года мы ничего не знали о рецепторных молекулах; в более ранних исследованиях просто не учитывалась молекулярная основа обонятельных механизмов, а следовательно, не было и понимания того, как запахи воспринимаются.

С открытием обонятельных рецепторных молекул в 1991 году в танго наконец вступил и второй участник. Несмотря на научный прорыв, к исследованию их взаимодействий научное сообщество приступило далеко не сразу: сначала ученым пришлось решить целый ряд вопросов, связанных с непростым процессом изучения рецепторов. Становление молекулярной кухни, начавшееся в конце 90-х годов, тоже пришлось на период, когда наука почти ничего не знала о рецепторных молекулах, – с этим и связано ее медленное развитие, ведь многие проблемы изучения рецепторов до сих пор не решены. В этом и кроется парадокс. Может показаться, что молекулярная кухня называется так потому, что работает как с молекулами запаха, так и с рецепторными. На самом же деле она фокусируется почти исключительно на молекулах запаха.

У производителей полуфабрикатов целые армии специалистов, которые изучают стимулирующие свойства тысяч химических соединений и пытаются соотнести их с тем, как на них реагируют наши органы чувств.

В отличие от молекулярной кухни, в нейрогастрономии рецепторные молекулы имеют критическое значение для понимания системы восприятия вкусовых ощущений человеческого мозга, а следовательно, нас интересует именно взаимодействие между молекулами запаха и рецепторными молекулами, находящимися в носу. Рассматривая обоняние с этой точки зрения, мы углубляемся в один из подразделов нейрогастрономии, а именно – молекулярную. Это совсем молодая сфера науки, а потому у нее, в отличие от кулинарии и молекулярной кухни, еще не накопился достаточный багаж знаний. Но со временем эти знания будут аккумулироваться, все теснее переплетаться, разжигая как научный интерес, так и человеческий аппетит.

Все в восприятии запахов и вкусовых ощущений начинается с этого завораживающего взаимодействия между молекулами, содержащимися в нашей пище, и теми, из которых состоят клетки наших рецепторов. Как же это происходит?

Представьте себе, что молекула похожа на ключ от входной двери вашего дома. Проведите пальцем по его зазубринам, идеально совпадающим с бороздками внутри замка. Когда вы вставляете ключ в замок, они совмещаются, и вы можете повернуть ключ, убрать язычок замка и отворить дверь. Биологи уже больше столетия используют концепцию «ключ-замок» для описания взаимодействия между двумя молекулами. Когда ключ в замке поворачивается, структура молекулы меняется. Это изменение дает микроскопический толчок соседней молекуле, а та передает его следующей – запускается цепная реакция, и клетка, в которой эти молекулы находятся, выполняет свою задачу.

Молекула запаха состоит из разных видов атомов, придающих ей нерегулярную структуру – эта структурная особенность означает, что в данном случае молекула является ключом. Каков же тогда замок и как он работает? Поиск ответа на этот вопрос был одной из наиболее важных задач современной науки о запахе. Когда ответ был найден, мы наконец-то узнали главное, а именно – как содержащаяся в молекуле запаха информация преобразовывается мозгом в образ запаха.

Процесс активации обонятельного рецептора молекулой запаха лишь одна из составляющих процесса преобразования информации из стимула, воздействующего на рецептор, в сигнал нервной системы. Наиболее очевиден этот процесс в случае зрения – отдельные фотоны активируют молекулы родопсина в зрительных рецепторах сетчатки нашего глаза. Хорошо изучен и процесс активации слуха, где звуковые волны сначала преобразовываются в вибрации во внутреннем ухе, а вибрации затем активируют рецепторные волосковые клетки в улитке. В обоих случаях нам прекрасно известен оптимальный способ стимуляции, и мы можем взять его под строгий контроль.

 Эксперименты с обонянием требуют очень много времени, потому что рецепторы человека «замыливаются» при повторной стимуляции. Благодаря этому мы можем привыкнуть даже к очень сильным запахам.

В случае сенсорных стимулов обонятельных рецепторов все не так просто. Мы лишены возможности «увидеть» или «услышать» используемый в опытах стимул. Контролировать молекулы запаха мы можем лишь опосредованно, инструментальными методами. Рецепторные клетки и вовсе скрыты внутри носовой полости – их труднодоступность мешает фиксировать результаты исследования. При повторной стимуляции рецепторы быстро устают (именно поэтому мы быстро привыкаем даже к самой пахучей среде), а потому эксперименты с обонянием не терпят торопливости. Как правило, мы не знаем заранее, какой из тысячи возможных запахов активирует конкретную рецепторную молекулу; чтобы определить это, нужно очень много времени. Даже когда нужный запах наконец обнаружен, мы все равно должны идентифицировать иные запахи, попадающие в обонятельный спектр изучаемой рецепторной молекулы. Хотя исследования проводятся преимущественно на ортоназальном обонянии, которое можно контролировать, распыляя перед носом облачка одорированных частиц, ретроназальное обоняние функционирует по тому же принципу.

В нашей аналогии ключами являются молекулы запаха, многие из которых уже были рассмотрены в прошлой главе. Они бывают как совсем маленькими, так и более крупными, такими как мускус, феромоны и даже фрагменты выделяемого телом белка, переносимого по воздуху. Этот обширный спектр молекул запахов особенно сильно воздействует на наши рецепторы, когда мы принюхиваемся, вдыхая воздух через нос. Стоящая перед исследователями задача слегка упрощается благодаря тому, что ретроназальное обоняние реагирует в основном на более мелкие молекулы, которые становятся летучими (испаряются) из жидкостей и пищи уже в полости рта.

Какая часть этих маленьких молекул стимулирует наши рецепторы? Разгадав эту тайну, мы сможем приблизиться к пониманию формы, которую принимает информация при поступлении в мозг. Специалисты по органической химии знают (и это подтверждено множеством физиологических исследований), что замена даже одного из атомов в составе молекулы может изменить восприятие ее запаха. Получается, что фундаментальная информация, содержащаяся в молекулах запаха и воспринимаемая мозгом, вероятнее всего, связана с индивидуальными характеристиками молекул запаха. Эти характеристики, позволяющие классифицировать одорированные молекулы, подразделяются на несколько категорий.

Рассказывать о них я буду на основе информации, рассмотренной в четвертой главе. Перечисленные далее черты являются одним из элементов, объединяющих нейрогастрономию с молекулярной кухней.

Во-первых, очевидно, что одорированные молекулы могут быть разной длины. К примеру, основой молекул с линейной или разветвленной цепью (они же алифатические[31]) является «скелет», который может состоять как из одной, так и из нескольких дюжин атомов углерода.

Вторая отличительная характеристика кроется в терминальной функциональной группе. У многих молекул запаха она определяет их принадлежность к щелочам, кислотам или альдегидам – эти категории веществ обладают характерными запахами. Мы уже знаем, что эти вещества содержатся во многих продуктах питания. Отталкиваясь от первых двух черт, мы можем описать гомологический ряд как ряд веществ с одинаковой терминальной функциональной группой (то есть гомологических[32]), но с цепочками, состоящими из разного количества атомов углерода (это и есть ряд).

Третий параметр классификации молекул запаха – наличие или отсутствие в углеводной цепи функциональной группы, например атома кислорода в кетоне. Четвертая характеристика зависит от того, является ли структура углеводной цепи линейной, или же от нее отходит боковая группа, например фенольное кольцо. Пятым параметром служит хиральность молекулы, то есть отклоняется ли она от виртуальной оси симметрии вправо или влево. Шестая характеристика – геометрическая форма молекулы, например, углеводороды терпеновой группы могут иметь форму кольца. Заключительной, седьмой характеристикой является общий размер молекулы.

 Обонятельная система человека может различать молекулы запаха, отличающиеся друг от друга даже на один-единственный атом.

То, что обонятельная система может различать молекулы запаха, отличающиеся друг от друга даже на один атом, означает, что она обладает одним из наиболее чувствительных механизмов распознавания молекул в нашем организме. Для сравнения – наша иммунная система заметно отстает от обонятельной в точности распознавания – там антитело взаимодействует с антигеном, у которого может быть сразу несколько дюжин рецепторных молекул.

Какой рецептор способен заметить даже малейшее отличие между молекулами и попутно проверить еще тысячи других? Ответ на этот вопрос был одной из величайших загадок науки. Первые предположения о его природе были выдвинуты специалистами химической промышленности, работавшими с органическими веществами. В основу их суждений легла теория о том, что некие характеристики позволяют молекулам взаимодействовать с неустановленным видом рецепторов. Эта теория со временем слилась с более обширной сферой исследований, занимающейся поиском соотношений «структура-свойство» (или «структура-активность») во взаимодействиях между молекулами. Эти исследования затем развились в поиск количественных отношений «структура-свойство» («QSAR») – сейчас это один из стандартных методов прогнозирования взаимодействий на молекулярном уровне, которым пользуются в числе прочих фармацевтические компании при разработке новых лекарственных препаратов.

Благодаря этим исследованиям нам открылась пугающе сложная структура молекул запаха и то, как они воспринимаются. С одной стороны, молекулы со схожими характеристиками – например, спирты, сложные эфиры и альдегиды – могут восприниматься схожим образом. С другой стороны, схожие молекулы могут восприниматься и абсолютно по-разному. Классический QSAR-подход привел в тупик.

Взяв за основу анализ формы молекул, биохимик из Оксфордского университета Джон Эймур предположил, что рецепторы настроены на форму молекул запаха, заложив таким образом основу стереохимической теории обоняния. В то же время белковый состав клеточной мембраны рецепторов по-прежнему оставался загадкой.

Первым прорывом стало биохимическое исследование израильского ученого Дорона Ланцета, когда-то бывшего одним из моих студентов. В 1985 году он произвел фурор в исследовании запахов, продемонстрировав, что молекулы запаха стимулируют фермент под названием аденилатциклаза, который выступает катализатором в образовании широко известной сигнальной молекулы под названием циклическая АМФ[33] (цАМФ). Мы уже знали, что цАМФ возникает при передаче сигнала от рецептора, который дает микротолчок так называемому G-белку[34]; эти рецепторы образовывают обширное семейство рецепторов, сопряженных с G-белками (GPCRs). Ланцет воспользовался своими знаниями, полученными в ходе обучения на иммунолога, и предположил, что для кодирования всех видов молекул запаха потребуется очень много разных рецепторов – от 100 до 10 000. Его предположение оказалось на удивление точным. Отталкиваясь от гипотезы еще одного из моих бывших студентов, Джона Кауера, и предшествовавшего их работам исследования Кьелла Девинга из Норвегии, Ланцет также предположил, что отношения между рецепторами и молекулами запаха будут иметь «комбинаторный» характер – один рецептор сможет взаимодействовать со множеством разных молекул, а одна молекула будет взаимодействовать с разными рецепторами.

Многие микробиологические лаборатории внезапно осознали, что развенчание загадки этих рецепторов превратилось в самую востребованную тему исследований в современной биологии; это и ознаменовало начало гонки. В кратчайшие сроки промежуточные «микротолчковые» молекулы обонятельного сигнала были клонированы, идентифицированы и классифицированы по своим фармакологическим характеристикам: G-белок, аденилатциклаза и белок, который образовывает активирующийся от цАМФ канал, пропускающий заряженные частицы, создающие электрический отклик. Впервые обонятельная реакция была задокументирована Стюартом Файрстайном, тогда еще студентом старших курсов в Беркли. Он зафиксировал электрический отклик самих ресничек обонятельных рецепторов. Это были потрясающие времена. Перед нами постепенно раскрывалась большая часть сигнального каскада.

В этом каскаде не хватало лишь одного элемента – рецепторов. Неоднократные попытки их идентификации неизменно заканчивались провалом. Исследователи почувствовали, что для открытия такого масштаба нужны ресурсы и данные крупной микробиологической лаборатории. Собственно, так и вышло.

Постдокторант[35] Линда Бак работала в лаборатории при Колумбийском университете под руководством Ричарда Акселя, ведущего специалиста по микробиологии. К тому моменту она уже несколько лет вела ряд проектов по изучению эндокринных рецепторов и антител иммунной системы. Заинтересовавшись запахами, она стала читать о них; эта сфера исследований и проблематика изучения обонятельных рецепторов очаровали ее.

Определенный ген в клетке можно найти почти так же, как по одной фразе – целый текст в интернет-браузере. Крошечный фрагмент гена взаимодействует с целым и выдает его местоположение.

Несколькими годами ранее был изобретен метод инструментального исследования под названием полимеразная цепная реакция (ПЦР), благодаря которой можно было взять крошечный фрагмент гена и подвергнуть его воздействию любую ткань тела, где предполагалось наличие полного гена. Крошечный фрагмент гена («проба») выступал детектором как целого гена, так и аналогичных генов, если они там присутствовали; проба повышала концентрацию гена до уровня, на котором его можно было опознать, выделить и использовать запланированным образом. Вы и сами применяете метод поиска по «пробе», когда ищете какой-то конкретный фрагмент из всей мировой литературы. К примеру, вбив в Гугл запрос «Мы считаем очевидными следующие истины»[36], вы обнаружите полный текст Декларации независимости США (можете опробовать этот метод и на других фразах – он крайне эффективен). По сути, ПЦР был идеальным инструментом для охоты за неуязвимыми генами обонятельных рецепторов; просто до этого момента никто не пытался использовать его в этих целях.

Основываясь на предположении, что обонятельные рецепторы относятся к обширному семейству рецепторов, сопряженных с G-белками, Бак подобрала пробы, которые позволили бы обнаружить любые ранее неизвестные рецепторы этого семейства в обонятельном эпителии крысы. С помощью обрезающих ферментов она урезала полученные последовательности генов и запечатлела на биохимическом геле ряд маркеров-полосок, которые доказывали наличие в обонятельном эпителии нового и крайне обширного подсемейства генов GPCR.

Рассказывая эту историю, Бак признается, что поначалу просто не поверила своим глазам, а потому убрала полученные маркеры и ушла домой. На следующее утро она осознала, что результаты очень даже реальны, и показала их Акселю, который пришел в полный восторг от увиденного. В 1991 году в своем докладе они назвали долгожданное открытие генами ольфакторных (обонятельных) рецепторов, ведь именно они несли в себе код, позволяющий клеткам запускать программу производства белков обонятельных рецепторов. Ученые предположили, что в новом подсемействе может обнаружиться до тысячи новых генов.

Открытие генов ольфакторных рецепторов не только позволило разгадать загадку обонятельных рецепторов, но и распахнуло перед человечеством дверь в новую эру исследования механизмов восприятия запахов. За их вклад в развитие науки и открытие, считающееся одним из величайших прорывов в биологии, в 2004 году Бак и Акселю присудили Нобелевскую премию по медицине.

Каким же образом эти рецепторы вписываются в нашу аналогию «ключ-замок»? Несколько лет тому назад мы (и другие ученые) начали думать над этим вопросом. Мы выдвинули гипотезу, что взаимодействие одорированной молекулы и рецептора происходит не в узком «замке», к которому подходит лишь один ключ, а в более объемном пространстве, так называемом «кармане» (или «лунке») связующего белка, по аналогии со структурами, имеющимися у многих других рецепторов, участвующих в передаче сигналов на молекулярном уровне. Мы также предположили, что одна рецепторная клетка может иметь только один вид рецептора, а следовательно, рецептор этот не узкоспециализированный, как рецепторы нейромедиаторов, а обладает широким спектром аффинности[37], совпадающей известными реакциями обонятельных рецепторных клеток на разные раздражители. Привлекательность этой гипотезы в том, что обонятельные рецепторы в ней схожи с фоторецепторами сетчатки глаза, каждый из которых обладает лишь одним видом цветовых рецепторов из трех возможных, но при этом способен воспринимать световое излучение с разной длиной волн.

Концепция «одна клетка – один рецептор» была экспериментально подтверждена в лаборатории Ричарда Акселя и при исследованиях отдельных клеток крыс в лаборатории Линды Бак, а впоследствии – в Гарвардском университете и в энтомологических исследованиях Джона Карлсона в Йельском университете.

Это изменило проблематику изучения рецепторов. Теперь нужно было найти эти связующие «карманы», аналогичные тем, что есть у других рецепторов-медиаторов и фоторецепторов, но при этом способные по-разному взаимодействовать с разными молекулами запаха. Получается, что классическая схема «ключ-замок», уместная для описания работы ферментов и других рецепторов, в случае обонятельных рецепторов не подходит, ведь, согласно гипотезе, они обладают уникальным механизмом широкой аффинности. Это прекрасный пример новой концепции рецепторной активности с расширенным спектром взаимодействий.

Стандартным методом исследований сигнальных молекул рецепторов в фармацевтической индустрии является «экспрессия» – профессиональный жаргонизм, означающий, что рецептор заставляют проявиться в клетке-носителе, а затем испытывают на нем различные типы сигнальных молекул и препараты, которые потенциально могут блокировать или усилить передачу сигнала. Благодаря генной инженерии любую аминокислоту в генетической цепочке рецептора можно заменить на другую, в ходе чего ученые могут установить, какие аминокислоты жизненно необходимы для функционирования рецептора, а также узнать, какие из них распознаются определенными белковыми комплексами сигнальных молекул.

 Современные генные инженеры могут заменить любую аминокислоту в ДНК обонятельного рецептора на другую, чтобы опытным путем узнать, какие из них за что отвечают.

К сожалению, обонятельные рецепторы с трудом поддавались экспериментальной экспрессии в клетках-носителях. Решение этой проблемы в 1998 году нашли один из моих бывших студентов Стюарт Файрстайн, его аспирант Хайсин Жао и их коллеги-ученые из Йельского и Колумбийского университетов. Они исхитрились и прикрепили один из рецепторных генов к вирусу, а потом подсадили его к рецепторным клеткам в носу крысы. Это позволило вирусу заразить все рецепторные клетки, заставляя их «экспрессировать» содержащийся в вирусе рецепторный ген OR-I7. Затем ученые смогли зафиксировать данные от всех рецепторных клеток и узнать, какие молекулы запаха их активируют. Было установлено, что примерно из двухсот опробованных ими молекул запаха рецепторы отдавали предпочтение алифатическим (линейным) альдегидам с цепочкой из восьми атомов углерода (C₈, то есть октаналь, октиловый или каприловый альдегид), при этом реакция на боковые группы снижалась при длине цепочек от C₆ до C₁₀.

Получалось, что связующий «карман» обладает избирательностью по как минимум двум параметрам: терминальной функциональной группе и длине цепи. Чтобы проверить эту гипотезу, Майкл Сингер, студент Йельского университета и аспирант нашей лаборатории, провел дополнительное исследование. Предпринятый в 2000 году компьютерный анализ модели рецептора OR-I7 показал, что при проведении автоматического докинга вслепую октаналь в связующем «кармане» взаимодействует так, как и предполагалось. Это исследование позволило выделить четыре вида стимулирующих характеристик молекул запаха: функциональная группа, длина цепи, размер молекулы и ее форма.

Самым важным открытием этого компьютерного анализа стало понимание истинного охвата связей рецептора OR-I7. Результаты оказались практически идентичными: при моделировании сохранилось соотношение приоритетности октаналя над боковыми группами альдегидов. В то же время в лаборатории Файрстайна было проведено другое исследование, показавшее, что при взаимодействии с рецептором OR-I7 молекулы запаха, являясь изомерами, крепко связываются с рецептором со стороны «головы» и образуют более свободную связь со стороны «хвоста» цепочек. Предположительно, именно благодаря этой особенности связей рецептор OR-I7 и формирует градацию предпочтительных молекул запаха.

Совокупность экспериментальных и полученных в результате компьютерного моделирования данных подтверждает гипотезу о том, что детерминанты (определители) запаха взаимодействуют со связующим «карманом» обонятельных рецепторов аналогично тому, как это происходит у других рецепторов, сопряженных с G-белками. При этом у молекул запаха есть целый набор сайтов-детерминантов для связи с разными видами рецепторов, что позволяет обонятельным рецепторам избирательно взаимодействовать с детерминантами различных молекул.

В 1999 году для проверки этой гипотезы Беттина Малник и ее коллеги из лаборатории Линды Бак провели серию независимых экспериментов. Сначала они зафиксировали физиологический обонятельный спектр – совокупность молекул запаха, вызывающих отклик, – отдельных, изолированных обонятельных нейронов. Затем с помощью специальной тонкой пипетки вытянули ядро, содержащее генетическую информацию, и восстановили ген рецептора методом ПЦР. Таким образом им удалось продемонстрировать разную силу связей, возникающих между уже известными видами рецепторов и различными молекулами запаха. Эти эксперименты и теоретические выкладки подтверждают гипотезу о том, что сайты связи на молекулах запаха (мы называем их «детерминантами») трансдуцируются (то есть преобразовываются) в связующем «кармане» обонятельного рецептора. Множество сочетаний аминокислотных остатков и детерминантов молекул запахов, как и было предположено задолго до проведения дополнительных исследований, создают в связующем белковом «кармане» крайне питательную среду для комбинаторных взаимодействий с кодирующими запах молекулами.

Благодаря сложным взаимодействиям с рецепторами, комбинаций становится гораздо больше, а сами они – более утонченными. Здесь можно провести параллель с фармацевтикой. Фармацевтические компании инвестируют миллионы долларов в поиски молекул, которые можно было бы использовать в лекарственных целях для усиления или подавления реакции рецептора на нейромедиатор. Мы предположили, что подобным образом можно изменить и восприимчивость обонятельных рецепторов, но происходить это будет из-за нескольких молекул запаха, претендующих на один связующий карман. В ходе дальнейших экспериментов это предположение подтвердилось – были зафиксированы случаи, когда реакция возникала на молекулу А, но не на молекулу Б; зато, когда эти молекулы были представлены вместе, реакция на молекулу А ослаблялась эффектом от «немого» эффекта молекулы Б, выступающей в данном случае в роле антагониста. Эти взаимодействия в связующем «кармане» рецептора показывают, насколько сложна система восприятия запаха и что ее сложность начинается с самого первого этапа восприятия.

Понимание системы восприятия запаха и вкусовых ощущений возможно лишь тогда, когда человек имеет некоторое представление о молекулярных свойствах одорированных частиц и основных механизмах их восприятия на молекулярном уровне.

Экспериментальные данные и компьютерный анализ показали, что у рецепторов достаточно обширные спектры восприятия, которые к тому же пересекаются друг с другом. Они называются молекулярными рецептивными спектрами («MRRs»)[38]; это название им дали японские ученые – один из моих бывших студентов Кенсаку Мори и его коллега Йошихоро Йошихара. Наименование было выбрано по аналогии с пространственными рецептивными полями («RFs»)[39] клеток зрительных рецепторов сетчатки глаза.

Многих сбивает с толку широта охвата пересекающихся молекулярных рецептивных спектров – может показаться, что их реакции неспецифичны, но это не так.

Объяснить это явление можно, сравнив систему восприятия запахов с системой восприятия цвета зрением. Конические рецепторы (колбочки) сетчатки глаза, аккумулирующие весь видимый спектр излучения, бывают трех видов: красные, зеленые и синие. Названия колбочек соответствуют пику их восприимчивости к излучению. По обе стороны от пика их восприимчивость снижается, но не исчезает – они пересекаются, перекрывая друг друга. Следовательно, волна любой длины воспринимается сразу тремя видами рецепторов, и такое уникальное сочетание реакций мы видим как цвет. Эта комбинация остается неизменной вне зависимости от интенсивности освещения, что позволяет нам отличить один цвет от другого вне зависимости от того, на свету он находится или в тени[40].

 Обоняние работает почти как зрение: как с помощью трех видов колбочек мы различаем множество оттенков цвета, так с помощью специфических рецепторов – множество оттенков запаха за счет смешения нейронных сигналов.

Мы и другие исследователи предполагали, что аналогичным образом формируется восприятие запаха, только складывается оно из сотен пересекающихся рецептивных спектров, а не из трех рецептивных полей, как в случае цвета. Тем не менее именно благодаря пересечению рецептивных спектров мы и смогли идентифицировать уникальные сочетания реакций, из которых складывалось восприятие конкретного запаха, вне зависимости от того, насколько он слабый или сильный. Получается, что обоняние все же специфично, ведь мозг воспринимает не разрозненные неспецифические сигналы от отдельных нейронов, а объединенный образ, сформированный совокупностью множества нейронных сигналов.

В отличие от цветового восприятия, где длина волны изменяется в одном измерении, молекулы запаха отличаются по множеству уже рассмотренных ранее параметров. «Пространство запахов», в котором происходят процессы обонятельного восприятия, можно назвать «многомерным». Вы уже знаете, что молекулы запаха могут обладать разными характеристиками и качествами; следовательно, молекула запаха может проявляться в более чем одном измерении, в зависимости от того, какие у нее функциональные группы, длины ее гомологического ряда, степени атомарной насыщенности и формы молекулы в трех измерениях. Значит, определение молекулярных характеристик является непременным условием формирования полноценной картины мира запахов. Далее я расскажу вам, каким образом многомерная природа мира запахов существенно усложняет процесс картирования нейронной активности головного мозга.

Считается, что в геноме млекопитающих содержится порядка тридцати тысячи генов. Около 3 % этих генов (приблизительно тысяча) относятся к самому обширному генному семейству – к генам обонятельных рецепторов. Только для того, чтобы идентифицировать, сравнить и классифицировать такое количество генов, потребовалось провести огромную работу. Для этих целей в моей лаборатории была создана база данных ольфаторных рецепторов (ORDB). На данный момент туда внесено более четырнадцати тысяч рецепторных генов и белков, обнаруженных в обонятельной системе человека, мышей, крыс, собак, шимпанзе, беспозвоночных, мух-дрозофил (Drosophila melanogaster), комаров, пчел и кольчатого червя (Cenorhabditis elegans). Ознакомиться и скачать себе актуальную версию базы обонятельных рецепторов вы можете на сайте нашей лаборатории SenseLab[41] при Йельском университете.

Глава 6

Создание сенсорного образа

Как отображается в нашем мозге мир ощущений, основа нашего чувственного восприятия? Этим вопросом задавались еще древние философы, но поиск ответа на него по сей день является одной из ключевых задач современных физиологических и нейронаук; не менее важен он и для нейрогастрономии.

Современные нейронауки доказали, что системы восприятия других органов чувств создают некую пространственную проекцию поступающего стимула. Поверхность тела представляется в виде карты, называемой сенсорным гомункулом. Обозреваемый мир воплощается в сенсорных образах. Слух воспринимается в виде пространственной «тонотопической» карты. Во всех перечисленных случаях пространственная проекция начинает формироваться на поверхности сенсорной мембраны, состоящей из рецепторных клеток, и оттуда передается в кору головного мозга, где и осуществляется непосредственно процесс восприятия.

Исследования последних пятидесяти с лишним лет свидетельствуют о том, что информация о молекулах запаха тоже передается в мозг в виде пространственных проекций. Эти проекции не являются частью рассмотренных нами ранее реакций рецепторных клеток, они возникают чуть позже, в следующей структуре обонятельной чувствительности – обонятельных луковицах. Этап формирования этих проекций является фундаментальным для нашей «гипотезы обоняния», ведь в ней основой дальнейшего процесса восприятия запаха служат именно эти пространственные проекции, названные нами образами запаха. То, что система восприятия преобразовывает непространственный стимул, полученный обонятельными рецепторами носа, в пространственную проекцию конкретной молекулы, странно, но объяснимо. Разгадка этого феномена кроется в одном из наиболее загадочных свойств нашего мозга.

В чем преимущество нейронного образа информации, переносимой молекулами запаха, над иными ее формами? Сама концепция образа запаха кажется настолько абсурдной, что на этот вопрос с ходу не ответить. Самое время отступить на шаг от основной темы и узнать, как формируется «зрительный образ», самый очевидный из всех доступных нам форм сенсорного восприятия.

Все системы восприятия органов чувств создают пространственную карту поступающих стимулов.

Процесс зрительного восприятия изучен несметным множеством нейробиологов и психологов. Наша гипотеза предполагает, что изучение нейронных механизмов восприятия и обработки зрительных образов позволит постичь принципы подготовки и обработки образов запаха. Если гипотеза выдержит напор критики, то мы получим новые сведения о том, в каком виде наш мозг воспринимает запахи, и том, как эти образы влияют на наши вкусовые ощущения.

Может показаться, что больше всего информации о способе формирования человеческим мозгом визуальных образов можно получить при изучении людей, но это не так. Лучшей стратегией для биологических изысканий подобного толка является проведение предварительных опытов на животных – выбранный вид должен обладать системой с аналогичным строением и свойствами, но при этом более простой, чем у человека; на них можно проводить в том числе и те опыты, что невозможно провести на людях.

Подходящая для исследования система обнаружилась в глазу мечехвоста (Limulus polyphemus). Вы могли видеть этих существ, если живете близ океана или бывали в океанариуме; они похожи на перевернутую неглубокую миску, лежащую на мелководье или на песке рядом с линией прибоя. Если присмотреться, можно заметить на их жестком панцире пару маленьких глаз. Их глаза примитивны – могут различать только свет, темноту и размытые пятна подвижных объектов; им хватает и настолько слабого зрения – мечехвост может отличить день от ночи и заметить приближение хищника.

Возможно ли разгадать тайны человеческого зрения, изучая столь примитивное существо? В середине XX века в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке работал биолог Х. Кеффер Хартлайн, которому это удалось. Хартлайн всей душой верил в пользу изучения простых систем. В статье «Мечехвосты и зрение»[42] процитированы его слова, обращенные к студентам, проявившим интерес к изучению нейронных механизмов зрения: «Избегайте позвоночных, они слишком сложные, и цветного зрения, оно тоже слишком сложное, и позвоночных с цветным зрением – это и вовсе невозможно». Благодаря Хартлайну и многим ученым, следовавшим по его стопам, мы узнали общие принципы работы зрительной системы, которые, как оказалось впоследствии, во многом аналогичны принципам других систем восприятия, в том числе обонятельной.

Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что каждая рецепторная клетка заключена в микроскопическую оболочку и воспринимает малую часть картины. Сигналы от множества рецепторов при совмещении должны давать достаточно точное представление о свете, попадающем на сетчатку глаза. Хартлайн продемонстрировал это на практике, направив яркий луч света на одну половину глаза, а затем резко понизив его яркость и переведя на вторую половину. Реакция соответствовала: в первый раз она была сильной, во второй – слабой. Затем он повторил эксперимент, простимулировав обе половины сетчатки единовременно. Во второй раз реакция была совсем иной – на границе сильного и слабого света рецепторные клетки на яркой стороне показали более сильную реакцию, чем в первом эксперименте, а клетки слабоосвещенной стороны, напротив, слабее. Нейронная картина этого простейшего сочетания стимулов не совпадала с реальной.

Подводя итоги, можно сказать, что сила реакции клетки на стимул зависит от активности близлежащих клеток: у сильных реакция усиливается, а у слабых – ослабевает.

Этот механизм человеческого восприятия на самом деле был подмечен австрийским физиком Эрнстом Махом еще в XIX веке. Он заметил, что когда мы смотрим на границу между светом и тьмой, к примеру на стык двух стен, то она кажется нам резкой благодаря высокой контрастности приграничных участков; со светлой стороны у грани нам видится более яркая полоса, а с темной – затемненная. Эта оптическая иллюзия называется полосами Маха. Если вам интересно, то вы можете в любой момент осмотреться и поискать их вокруг себя, дабы самостоятельно убедиться в их существовании (в библиографии дана ссылка на сайт, где можно подробнее познакомиться с этим феноменом).

Хартлайн продемонстрировал, что полосы Маха видят даже примитивные глаза мечехвостов Limulus. Он же обнаружил механизм, их создающий: латеральное[43] взаимодействие рецепторных клеток, то есть фоторецепторов. Благодаря этому виду межклеточной связи сильнее возбужденные клетки активнее подавляют более пассивные, а менее возбужденные клетки меньше обычного затормаживают активные. Механизм этот называется латеральной ингибицией (латеральным торможением), а сам эффект – усилением контраста, ведь именно это и происходит на границе между светом и темнотой. Этот механизм позволяет нам вычленять из окружающей картины отдельные пространственные элементы; он обеспечивает выделение признаков, один из основных принципов переработки информации во всех сенсорных системах.

 Наша нервная система в первую очередь настроена на восприятие изменений в среде, а не на постоянный и неизменный поток данных. Поэтому и любое движение привлекает внимание.

Таков механизм пространственного усиления контраста. Механизм временного усиления контраста тоже был открыт в лаборатории Хартлайна. Когда происходит резкое повышение яркости, отдельная клетка реагирует на него стремительным ростом нейронной активности до пикового уровня, а затем быстро опускается до стабильной частоты, несколько более высокой, чем до скачка яркости. Чрезмерное повышение частоты импульсов называется фазовой реакцией, а плавное и постепенное – тонической. Эти примеры демонстрируют, что наша нервная система в первую очередь настроена на восприятие изменений в среде, а не на постоянный и неизменный поток данных. Пространственное и временное усиление стимуляции работает в сцепке – после изначального усиления стимула наши рецепторы демонстрируют как латеральную, так и самоингибицию и приходят в равновесие на более высоком уровне импульсной активности, чем изначальный.

У латеральной ингибиции есть и другие функции, помимо выделения признаков и усиления контраста. За счет дисперсии (разложения света на спектр) изображение рассеивается при проходе через линзу глаза; латеральная ингибиция минимизирует последствия дисперсии путем преобразования (восстановления) изображения. Еще одной функцией является регулировка усиления, задающая темп нарастания или угасания реакции при изменениях силы стимуляции. К примеру, глаза мечехвоста Limulus воспринимают широкий спектр светового излучения. Чтобы сохранить такой охват зрения и вместе с тем обладать механизмами усиления чувствительности для восприятия слабых стимулов, нужно обладать и способом понижения чувствительности по мере нарастания силы стимуляции. В сетчатке Limulus это обеспечивается благодаря механизму компрессии (сжатия) усиления – аналогичным образом устроены компрессоры с цепью обратной связи, встроенные в электронные усилители звука.

Получается, что созданный глазом нейронный образ не отражает находящуюся в поле зрения сцену так, как это сделал бы фотоаппарат с выставленными на минимум настройками контрастности.Нейронный образ выглядит как абстрактное изображение высокой контрастности; края сцены упрощены и контрастны, а статичные центральные части поля зрения более нейтральны. Стимуляция достигает пика при смене изображения и стабилизируется при отсутствии изменений. Именно поэтому зрение мечехвостов так восприимчиво к теням и изменению светотени: это позволяет им быть начеку в случае появления добычи или хищника.

Латеральная ингибиция со временем была признана одним из наиважнейших механизмов нашей системы восприятия. Выдающийся ученый Штефан Куффлер подтвердил наличие в глазах млекопитающих тех же механизмов, что были ранее обнаружены при исследовании Limulus. Ученый был беженцем из Австрии; в начале Второй мировой войны он покинул родную страну, преодолев Альпы на лыжах. Позже, работая при Университете Джона Хопкинса, он вдохновился экспериментами Хартлайна по исследованию зрения Limulus и провел серию аналогичных экспериментов, но уже с сетчаткой кошки; он регистрировал сигналы от одной ганглионарной клетки – этот тип клеток передает получаемую сетчаткой информацию в мозг – и при этом стимулировал разные участки сетчатки направленным узким лучом света. Стимуляция точки, соответствующей расположению ганглионарной клетки (в центре сенсорного поля), чаще всего возбуждала ее, в то время как стимуляция дальних частей сетчатки («периферии» поля зрения) подавляла ее активность, в то же время возбуждая периферические клетки. Эти опыты продемонстрировали, что механизм усиления контраста присутствует и у млекопитающих в виде центрально-периферического антагонизма.

Когда вы приходите к офтальмологу и вас просят прочитать ряды постепенно уменьшающихся букв на диагностической таблице, ваш результат зависит от точности линз в ваших глазах, и их кривизну можно скорректировать очками. В то же время результат зависит и от латеральной ингибиции, которая повышает контрастность темных букв с белым фоном; вот только изображения с настолько высокой контрастностью абсолютно неестественны. В природной среде обитания в поле зрения животных почти всегда царит нагромождение объектов, мало контрастирующих друг с другом. Выживание зависит от того, сможет ли зверь распознать попавшего в его поле зрения хищника или добычу. То, как сетчатка справляется с этой непростой задачей, поможет нам понять, каким образом обоняние идентифицирует запахи из общей ароматической среды низкой контрастности, вне зависимости от того, идет ли речь о запахе хищника или добычи в окружающей среде или о пищевых летучих одорированных частицах в полости рта.

В своей книге «Синаптическая организация мозга»[44] ученые-офтальмологи из Пенсильванского университета Питер Стерлинг и Джонатан Демб объясняют, как именно наше восприятие справляется с такой задачей. Для воссоздания визуального образа контрастной сцены не нужно яркого света; поэтому мы и можем читать книги даже при слабом свете свечи. В то же время для восприятия видимого окружения с низкой контрастностью сетчатке нужно много света. Как пример можно привести сцену, отснятую с точки зрения хищника, в сумерках следящего за забредшей в лес овцой. Если мы просканируем фотографию фотометром, то он покажет лишь незначительные колебания на общем относительно ровном фоне. При слабом освещении идентифицировать то, что скрывается за этими искажениями, сложно. Чем это объясняется?

Стерлинг и Демб отвечают на этот вопрос цитатой эксперта по видеотехнике Альберта Роуза, сравнивающего сетчатку глаза с черным холстом, на котором одиночные кванты света (фотоны) рисуют своего рода пуантилистскую картинку, то есть один фотон приходится на один пиксель итогового изображения. Создать изображение высокой контрастности несложно, для этого не требуется разрешения свыше одного фотона на пиксель – надо лишь «включить» или «выключить» отдельные фотоны; а вот для изображения низкой контрастности с широким спектром серых оттенков на один пиксель картинки приходится в разы больше фотонов, что существенно усложняет процесс восприятия. Следовательно, для полноценного восприятия сцены с низкой контрастностью объектов нужно хорошее, яркое освещение.

 Высококонтрастное изображение проще и менее детально, чем низкоконтрастное. Из второго всегда легко можно получить первое, а вот наоборот – нет.

Теперь вы знаете, почему латеральная ингибиция клеток сетчатки является фундаментальным механизмом для усиления контраста; к тому же она отвечает и за фильтрацию шумового фона воспринимаемой сцены. Чем больше в изображении оттенков серого, тем больше фотонов требуется для создания нейронного образа и выше уровень шума. Наиважнейшей задачей всех сенсорных систем (в том числе обонятельной) является именно повышение соотношения воспринимаемого сигнала к шуму. Это может быть реализовано синхронизацией центральной части поля восприятия, выравнивающей общий фон; в случае зрения это происходит благодаря электрическим связям между фоторецепторами, сводящим воедино их сигналы. В обонянии работают иные механизмы, которые будут рассмотрены далее. Вторым способом повышения соотношения сигнала к шуму является именно латеральная ингибиция, которая позволяет отсекать избыточные сигналы. По большей части сцены с низкой контрастностью обладают равномерным освещением; следовательно, большая часть поступающей информации является избыточной и может быть исключена на раннем этапе восприятия, таким образом высвобождается нейронный ресурс для повышения контрастности наиболее важных, изменяющихся элементов сцены.

 Наиважнейшей задачей всех сенсорных систем (в том числе обонятельной) является повышение контрастности – выделение главного, отличающегося.

У специалистов, занимающихся обработкой изображений, этот механизм называется предиктивным (прогнозирующим) кодированием. Оно основано на предположении о более высоких показателях активности в центральной части сцены, нежели на ее периферии. По мере снижения уровня освещения поле зрение расширяется, сохраняя таким образом предполагаемые показатели активности периферических его частей.

Именно на примере зрительной системы мы можем проанализировать основные стадии формирования сенсорного образа и его обработки, хотя аналогичные процессы происходят и в остальных системах восприятия. Разумеется, каждая система имеет свои особенности, но общий принцип работы одинаков. Далее мы рассмотрим еще ряд особенностей формирования и обработки образов запахов, лежащих в основе обонятельного восприятия.

Резюмируя сказанное выше, можно заключить, что глаз создает двухмерную проекцию трехмерной сцены, находящейся в поле зрения, – визуальный образ. У такого способа отображения есть существенное преимущество, ведь благодаря этому нервная система может формировать циклы для обработки поступающей информации. В основе такого цикла лежат механизмы латеральной ингибиции и усиления контраста, которые преобразуют нейронный образ в формат, наиболее удобный для дальнейшей переработки воспринимаемой сцены мозгом. Лучше всего этот процесс описал Эрнст Мах:

«Поскольку всякая точка сетчатки воспринимает, по сути, лишь саму себя в зависимости от того, выше или ниже ее активность в сравнении с ближайшими клетками, в результате получается достаточно своеобразная картина восприятия. Все находящееся на периферии обзора стирается. Все заметно отступающее от среднего показателя, как вверх, так и вниз, непропорционально выделяется. Можно сказать, что сетчатка создает схематичное и даже карикатурное изображение. Телеологическая значимость этого процесса очевидна. Это прямая аналогия абстракции и формирования концепций».

Все рассмотренные ранее принципы и механизмы восприятия – многомерная проекция сцены, латеральная ингибиция, усиление контраста и выделение признаков – имеют ключевое значение для формирования сенсорных образов всех систем восприятия. Мы слышим, потому что каждое нервное волокно передает в мозг лишь одну, наиболее «подходящую» частоту; восприимчивость к отдельно взятой частоте повышается за счет латеральной ингибиции. Наше осязание зависит от способности дифференцировать две расположенные близко друг от друга точки (это называется дискриминационная чувствительность), и кончики пальцев рук справляются с этим куда лучше, чем кожа на животе. Пальцы обладают более высокой чувствительностью за счет большей плотности иннервации (обеспеченности нервными клетками) кожи и присутствия в центральных нервных волокнах латеральной ингибиции, позволяющей более эффективно вычленять отдельные элементы сенсорной картины. Похожим образом работает и осязание в полости рта, также известное как тактильные ротовые ощущения, когда мы перемещаем пищу языком и определяем ее свойства – является она гладкой или шершавой, сухой или влажной, твердой или мягкий и так далее.

А что же насчет обоняния? Лишь теперь, когда мы в достаточной мере рассмотрели основные принципы сенсорных систем, мы наконец-то можем приступить к изучению того, как наш мозг воспринимает запахи.

Глава 7

Образ запаха: момент озарения

Восприятие запаха начинается с обонятельных рецепторов в полости носа и достигает мозга, лишь миновав несколько промежуточных «остановок»: обонятельную луковицу, обонятельную кору и орбитофронтальную обонятельную кору. Первый этап обработки образа запаха происходит в обонятельной луковице. Она не просто является одним из наиболее важных органов в восприятии вкусовых ощущений; ее роль в формировании образов запаха настолько велика, что именно ей посвящены следующие несколько глав этой книги.

Как и следует из ее названия, обонятельная луковица по форме напоминает лампу накаливания, торчащую из лобной доли головного мозга. В отличие от системы зрительного восприятия, которая начинается в сетчатке глаза, проходит через таламус и затем достигает зрительной коры мозга, в обонятельной системе все аналогичные структуры сведены в единый орган – обонятельную луковицу. Понять, что именно происходит внутри обонятельной луковицы, сложнее, чем в случае более открытых для изучения сенсорных систем; для начала нам придется познакомиться с клеточным уровнем ее структуры.

Рис. 7.1 показывает структуру обонятельной сенсорной системы млекопитающих на примере крысы. Когда одорированные молекулы проникают и выходят из связующего кармана обонятельного рецепторного нейрона (ОРН), отдельная клетка «знает» лишь о тех характеристиках молекул запаха, которые уже вступали в контакт с ее связующими сайтами. Чем активнее контакт, тем сильнее отклик клетки, выражающийся в повышении сигнальной активности. Следовательно, клетка передает информацию в обонятельную луковицу по обонятельным нервам (ОН) в виде импульсов определенной частоты, которые сами по себе мало что говорят о воспринимаемом запахе. Получается, что код, обозначающий молекулу запаха, тот самый, что распознается мозгом, должен зависеть от комплексной реакции многих клеток.

Рис. 7.1. Структура обонятельной системы. Слева: процесс восприятия запаха – от обонятельных рецепторов носа до коры головного мозга. Справа: последовательность стадий восприятия обонятельной системы, осуществляющей процесс. Основным типом клеток обонятельного эпителия является обонятельный рецепторный нейрон (ОРН)

Основные типы клеток обонятельной луковицы: митральные клетки (МК), пучковые клетки (ПК) и гранулярные клетки (ГК). В обонятельной коре информация от обонятельной луковицы поступает в пирамидальные клетки, которые затем передают ее промежуточным (или вставочным) нейронам. Центральные нервные волокна, задающие частоту клеткам обонятельной луковицы, начинаются в ядре горизонтального лимба диагональной борозды Брока (ЯГЛДБ). Орбитофронтальная обонятельная кора (ОФК) для компактности изображена в виде единичной пирамидальной клетки.

В обонятельной луковице заключены несколько тысяч рецепторных клеток. Все волокна одного типа обонятельного рецептора сходятся в единую точку под названием гломерула (ГЛОМ), она же «клубочек». В зависимости от видовой принадлежности животного таких клубочков может быть свыше тысячи, и каждый из них получает свой, уникальный сигнал. К каждому отделу обонятельной луковицы крепятся крупные митральные клетки (МК); их название возникло у истоков гистологической науки и обусловлено сходством формы с митрой, головным убором епископа. Волокна митральных клеток тянутся до самой обонятельной коры. Они, наряду с пучковыми клетками (ПК), по сути являющимися уменьшенным и более многочисленным вариантом митральных, обеспечивают прямую связь одного этапа системы восприятия с последующим. Еще одной многочисленной группой клеток являются интернейроны, они же промежуточные (или вставочные) нейроны, – это клетки с короткими отростками, обеспечивающие локальную обработку данных на прямой связи. На гломерулярном уровне они называются перигломерулярные клетки (ПГ), а на митральном и пучковом – гранулярными клетками (ГК). Учтите, что для упрощения иллюстрации в ней опущены параллельные структуры, проходящие через вспомогательную обонятельную луковицу, задействованную в восприятии феромонов[45], и модифицированный гломерулярный комплекс, распознающий особые ароматические сигналы.

Благодаря специальной схеме поступления данных и нейронным взаимодействиям обонятельная луковица создает код для обозначения стимулирующих ее молекул.

Эта история началась в Кембриджском университете с Эдгара Адриана, одного из величайших специалистов по физиологии нервной системы. Он был в числе ведущих исследователей-первопроходцев в изучении физиологии сенсорных систем человеческого тела в 1930-е годы; затем приступил к изучению обоняния, и этот проект стал последним из его масштабных трудов. Для первого из своих исследований системы обоняния, проведенного в 1943 году, он выбрал мозг ежа и на его примере продемонстрировал реакцию сенсорной системы на природные ароматические стимулы. В те годы биологи чаще всего выбирали подопытных животных с учетом их поведенческих особенностей, в то время как сегодня наука постепенно переориентируется на несколько видов животных, хорошо поддающихся генетической модификации. Тогда же никто не сомневался, что ежи – животные, живущие в норах и постоянно роющиеся в земле, – ориентируются преимущественно по запаху!

Одна из записей Адриана прославилась благодаря подписи, гласившей: «Запах гнилого земляного червя». Так уж вышло, что в поисках природного ароматического стимулятора для проверки реакции ежа Адриан нашел в темном сыром углу своей подвальной лаборатории иссохшего дождевого червя. На тот момент Адриан уже был всемирно известным ученым со множеством административных обязанностей, но по-прежнему проводил все свои эксперименты сам (а заодно и экономил).

Следующая из записей Адриана фиксировала реакцию обонятельной луковицы находящегося под наркозом кролика. Он разместил на разных частях обонятельной луковицы считывающие электроды, а затем стимулировал обоняние животного при помощи различных запахов. Он обнаружил, что клетки в разных частях луковицы по-разному реагировали на различные запахи. Мне не хотелось бы переиначивать его объяснение, а потому я просто приведу отрывок из его работы 1953 года:

«Судя по всему, молекулы ацетона в основном стимулируют активность в передней части органа и в определенной группе рецепторов этой зоны, обладающих особой чувствительностью к этому раздражителю. Высокая концентрация раздражителя может задействовать и другие группы рецепторов; но структура органа такова, что всегда будет отдельная группа рецепторов, предельно чувствительная к определенному раздражителю, которая станет возбуждаться даже при минимальной его концентрации. Будут и временные рамки предельной возбудимости. При каждом вдохе количество поступающего в нос возбудителя станет неуклонно нарастать, пока не достигнет предела; в начале и в конце каждого вдоха концентрация раздражителя будет приближена к предельному значению. Следовательно, скорость возбуждения рецепторов зависит от физических и химических свойств конкретного раздражителя. К примеру, резкий пик активности может свидетельствовать о специфической чувствительности к ксилолу. По мере повышения концентрации ксилола в воздухе к изначально возбудившейся группе рецепторов постепенно подключатся и другие, чья активность будет проявляться на более позднем этапе дыхательного цикла. В случае пиридина и эвкалипта вначале регистрируются небольшие пики активности и лишь затем – скачки, доходящие до предельных значений. Получается, что на фоторепродукции экспериментальных данных каждое вещество обладает характерной формой пиков активности, которая с впечатляющим постоянством воспроизводится всякий раз, когда вещество подносят к носу подопытного.

Таким образом, изучив ряд распечаток записей зарегистрированных пиков активности, электрофизиолог сможет идентифицировать соответствующие им запахи. У нас нет оснований предполагать, что мозг идентифицирует запахи по тем же критериям, но теперь мы, по крайней мере, видим, как можно различить большое разнообразие запахов без необходимости очень больших вариаций в рецепторах».

 Раньше биологи выбирали подопытных животных с учетом их поведенческих особенностей, а сегодня наука переориентируется на те виды, которые хорошо поддаются генетической модификации.

Концепция кодирования запахов в виде пространственных схем и временных промежутков уходит корнями именно в этот труд Адриана. Обратите внимание на его предположение, что кодирование возможно и без необходимости «очень больших вариаций в рецепторах». В наши дни нам уже известно, что способность рецепторов избирательно реагировать на отдельные характеристики молекул запаха обусловлена мельчайшими отличиями в их молекулярной структуре. Адриан же был крайне сведущим в науке своего времени, а потому его предположения основаны на актуальном для него уровне научного знания – он описал пики активности, зарегистрированные набором электродов в разных частях обонятельной луковицы, и отметил уникальность их формы, но «пространственными схемами» активности он их не называл. Он даже счел должным предостеречь последующих исследователей обонятельной сенсорной системы от предположений, что мозг распознает образы запахов так же, как мы распознаем их на распечатках зарегистрированной нейронной активности.

Когда я писал свою дипломную работу по физиологии обонятельной луковицы, я совершил своего рода паломничество из Оксфорда в Кембридж, чтобы встретиться с Адрианом, рассказать ему о своих опытах с клетками обонятельной луковицы и, возможно, провести некоторые параллели между моим дипломным проектом и его трудами. Мой научный руководитель, Чарльз Филлипс, предупредил меня о том, что Адриан известен своей стеснительностью с посетителями. Адриан вежливо выслушал преисполненный энтузиазма рассказ о моих научных изысканиях, но затем вежливо объяснил, что его присутствия срочно требуют в другом месте, и начал потихоньку отодвигаться, в прямом смысле пытаясь сбежать от дальнейшей беседы. Наш разговор закончился на лестнице старого физиологического корпуса на Даунинг-стрит. Напоследок я успел спросить у него, какая проблема изучения обонятельной системы, на его взгляд, является наиболее важной и нуждается в разработке для достижения нового уровня познания. Бросив взгляд через плечо, он ответил: «Присмотрись к гломерулам», – и был таков. Его слова оказались пророческими.

После проекта Адриана электрофизиология мало продвинулась в изучении реакций рецепторов обонятельной луковицы на различные ароматические раздражители. В случае зрения или соматического ощущения (то есть осязания) экспериментатор точно знает, где расположить электрод для фиксирования активности той или иной части сенсорного поля. С обонянием мы понятия не имели, где электроды смогут зарегистрировать активность, – у нас не было никаких данных, где в системе обонятельного восприятия может быть картирован тот или иной запах. В своих изысканиях мы вдохновлялись исследованием соматосенсорной коры головного мозга первопроходца Вернона Маунткасла из Университета Джона Хопкинса и работами по изучению зрительной коры Дэйвида Хьюбела и Торстена Визеля из Гарвардской медицинской школы; к сожалению, их электрофизиологический подход к картированию сенсорных реакций мозга оказался неэффективен для поиска центра отображения запахов.

Наша работа увенчалась успехом лишь в 1974 году, когда наш отдел в Йельском университете навестил Эд Эвартс из Национального института по изучению неврологических заболеваний и инсульта в городе Бетесда, штат Мэриленд. Эвартс был ведущим специалистом по двигательной коре головного мозга. В ходе его визита я рассказал ему о наших экспериментах с обонятельной луковицей и о том, как сложно опередить, где именно считывать реакцию на различные обонятельные раздражители. Эвартс предположил, что нас может заинтересовать новый метод, над которым в тот момент работал Фрэнк Шарп, один из аспирантов его лаборатории. Изначально метод создал Луис Соколофф, ведущий биохимик лаборатории по соседству. Соколофф объединил усилия с одним из великих первопроходцев в изучении биохимии мозга Сеймуром Кети и выдающимся молодым фармакологом Флойдом Блумом для разработки метода картирования активности мозга по локализации энергозатрат. Метод основывается на том факте, что все виды нервных клеток для активности нуждаются в непрерывном притоке кислорода и глюкозе как источнике энергии; потому-то мы и падаем в обморок при нарушении притока крови к мозгу. Для поддержания подвижности заряженных ионов клеточной оболочки, которые создают импульсную активность, или так называемый синаптический потенциал (изменения электрического потенциала от межклеточного перемещения ионов через синапсы нервных клеток), энергия не нужна; зато она жизненно необходима для работы насосов на мембране, обеспечивающих равновесие путем поддержания равномерного распределения ионов по обе стороны клеточной мембраны.

Соколофф и его коллеги предложили отслеживать электрическую активность при помощи модифицированной формы глюкозы – изотопа без атома кислорода при втором углеводе – под названием 2-дезоксиглюкоза (2-ДГ). Активные клетки принимают 2-ДГ за обычную форму глюкозы, но измененная структура препятствует дальнейшей ее метаболизации. Следовательно, высокая концентрация 2-ДГ блокирует метаболические процессы, в то время как малая концентрация (то есть следовое количество) позволяет определить, какие именно группы клеток вобрали 2-ДГ, не подавляя клеточный метаболизм. Данный метод предполагал введение подопытному животному модифицированной глюкозы, стимуляцию определенным раздражителем на протяжении 45 минут и использование ряда рентгенографических снимков для определения локализации радиоактивности.

Первые экспериментальные данные показали эффективность метода для картирования зрительной коры; предположительно, он мог подойти для картирования иных частей мозга с непредсказуемыми схемами активации. Изобретение этого метода оказало огромное влияние на все разделы науки, сопряженные с изучением мозга, ведь именно благодаря открытию метода 2-ДГ стало возможно изобретение таких методов применимой к людям безопасной диагностики, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), более современных вариантов ПЭТ-сканирования мозга, функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ[46]) и иных аналогичных методов.

Когда Эд рассказывал нам об этом новейшем методе, Фрэнк еще не закончил проводить физиологические испытания. Эд предупредил, что у них есть основания полагать, что метод скорее ориентирован на выявление синаптической активности в соединениях между нейронами, нежели на импульсную активность как таковую.

Этот момент был воистину судьбоносным. Я посмотрел на своего коллегу-аспиранта Джона Кауэра, и мы поняли, что наконец нашли то, что искали. Входящие волокна (аксоны) рецепторных клеток заканчиваются в гломерулах, на некотором расстоянии от митральных клеток, в которых возникает импульсная реакция. В прошлом мы считывали электрофизиологическую активность самих митральных клеток, находящихся в отдалении от гломерул; в то время как 2-ДГ предположительно должна поступать непосредственно в гломерулы – туда, где рецепторные клетки соединяются с клетками обонятельной луковицы. Мы предположили, что метод 2-ДГ прекрасно подходил для проверки нашей гипотезы, что запахи создают пространственные схемы активации гломерул. Эвартс и Шарп радушно пригласили нас присоединиться к ним и проверить нашу гипотезу на практике.

В декабре 1974 года я приехал в Национальный институт здравоохранения для проведения первой серии экспериментов. Памятуя труды Адриана и его дождевого червя, в качестве раздражителя я захотел подобрать нечто приземленное и реалистичное, а потому мы с Фрэнком отправились в местный супермаркет за выдержанным сыром чеддер. Еще одним преимуществом метода 2-ДГ была возможность проводить опыты на бодрствующем животном, а потому мы просто положили сыр перед подставкой, удерживающей нос животного, и направили на него поток воздуха. Мы провели целый ряд опытов – с сыром, с амилоуксусным эфиром (он обладает фруктовым ароматом, напоминающим банановый) – и несколько контрольных (без каких-либо обонятельных стимулов). Исследования мы проводили на крысах и кроликах. Закончив с экспериментальным этапом работы, я без особого воодушевления покинул лабораторию, предоставив Фрэнку подготовку срезов опытных образцов.

В начале января мне позвонил Фрэнк, пребывающий в крайне приподнятом настроении. На снимках срезов обнаружились маленькие точки. Я спросил, означают ли эти точки, что наши опыты увенчались успехом? Он воскликнул, что да, ведь это самые отчетливые результаты из когда-либо полученных при помощи этого метода. Я уточнил у него: уверен ли он? Он заверил меня, что да, он абсолютно уверен, и добавил: жаль, что я не видел, как Эд пустился в пляс по лаборатории при виде этих точек!

Мы с Джоном вскоре вернулись в их лабораторию для проведения дальнейших экспериментов, и результаты оказались не менее информативными, чем первая серия! На рентгеновских снимках наблюдались очаги повышенной плотности, локализованные в некоторых областях гломерулярного слоя. Новость о результатах наших экспериментов быстро разлетелась и произвела такой фурор, что в 1975-м нам пришлось отложить публикацию наших результатов, чтобы Соколофф и его команда могли сначала опубликовать свою статью об открытии метода 2-ДГ. В первой статье нашего проекта мы с Френком Шарпом и Джоном Кауэром написали:

«Судя по всему, при стимуляции обоняния амилоуксусным эфиром метаболическая активность в обонятельной луковице запускается в соответствии с некой фиксированной схемой. Это подразумевает существование неких топографических схем нейронной активности, ассоциирующихся с обработкой поступающего запаха. Предварительные исследования с использованием иных раздражителей (камфоры, сыра и т. д.) позволяют предположить дифференциацию пространственных схем рецепторной активности по разным запахам и группам запахов.

Идея, что в обонянии задействованы некие пространственные схемы, не нова, впервые ее высказал Адриан, и с тех пор ее разработке посвятили немало исследований. Используемый в данной работе метод рекомендуется для проведения дальнейших изысканий по теме».

Мы подчеркнули преимущества нашего метода: он демонстрирует активность всей изучаемой системы (а заодно и всего головного мозга) и не искажает рецепторные реакции (что нередко происходит при контакте электрода с активной клеткой). Мы также отметили, что этот метод можно использовать для опытов на животных, пребывающих в сознании и демонстрирующих природное поведение, а это позволяет фиксировать реакцию даже на очень слабые раздражители. Такими же преимуществами обладает ПЭТ и иные современные методы функционального сканирования мозга, широко применяемые на людях.

Чтобы составить комплексное представление о схемах активности и сравнить их друг с другом, в 1979 году в нашей лаборатории под руководством Уильяма Стюарта и Джона Кауэра была разработана процедура картирования, основанная на форме обонятельной луковицы: она представляет собой почти правильную сферу, за исключением отростка, соединяющего ее с мозгом. Мы адаптировали метод «проекции», применяющийся для составления карт мира, и использовали ту же систему координат: широту и долготу. Этот метод называется проекцией Мольвейде, и найти его вы можете в любом атласе мира.

В нейронауках этот метод картирования мозга, то есть нейрокартирования, используется для составления плоскостных карт. В нашем случае локусы активности обнаружились в гломерулярном слое. Они накладываются друг на друга, но для разных запахов отличаются. Таким образом, мы смогли развить гипотезу Адриана, что в основе распознавания запахов могут лежать характерные пространственные схемы. Метод 2-ДГ также показал, что при самой низкой концентрации запаха (минимальной воспринимаемой человеческим обонянием) активировалось лишь несколько локусов, а то и вовсе один; предположительно, каждый из них был локализован в одной или нескольких гломерулах. По мере повышения интенсивности запаха соответственно повышалось и количество активных гломерул. Получалось, что в схемах активности кодировался как вид, так и интенсивность запаха.

Кажется, что с такими перспективными результатами этот метод должны были взять на вооружение множество лабораторий, надеясь лично убедиться в его эффективности и продолжить исследования схем обонятельного восприятия, – но нет, этого не произошло; тому препятствовали некоторые особенности метода. Алгоритм подразумевал использование дорогого изотопа глюкозы, что делало его слишком финансово затратным и ресурсоемким для подавляющего большинства лабораторий. Картирование также сопряжено с огромным объемом монотонных и трудоемких гистологических манипуляций. Еще одним серьезным препятствием было использование радиационного облучения – большинство физиологических и психологических лабораторий просто не предназначены для работы с радиацией.

Первый шаг к дальнейшему развитию метода был сделан Лесли Скином из Делавэра. Вместе с Шарпом он искал доказательства реакции на феромонные раздражители в обонятельной луковице приматов. Вскоре метод начали использовать Андре Холлей и его коллеги во Франции, в Лионе. Подкрепив наши наработки своими исследованиями, они продолжили деятельность в этом направлении и подметили, что наличие разных схем активности для разных запахов позволяет отнести обонятельное восприятие к категории «распознавания образов», как в зрительном восприятии. Их вывод, как уже упоминалось в предыдущей главе, впоследствии лег в основу актуальной концепции нейронного уровня восприятия запахов.

Майкл Леон и Бретт Джонсон из Калифорнийского университета проделали огромную работу, существенно расширив коллекцию полученных при помощи метода 2-ДГ плоскостных карт. В архиве на их сайте размещены карты свыше 500 образов запахов. (Ссылку на их сайт в числе прочих упоминаемых в тексте можно найти на сайте лаборатории SenseLab.)

В начале 90-х годов появилось несколько новых методов анализа схем активности клеток обонятельной луковицы. Большинство из них резюмируются в статье 2000 года, написанной Фукиангом Хсю и Чарльзом Гриром в соавторстве со мной. Чтобы осознать истинные масштабы открывшейся перед нами сферы исследований, достаточно заглянуть на сайт Леона или лаборатории SenseLab. При всей масштабности наших архивов в них представлена лишь малая часть бесконечного множества вариаций пространственных схем активности, отражающих мириады молекул запаха. Именно на основе этих схем наш мозг создает образы запаха, благодаря которым работает обоняние.

Глава 8

Запахи как лица

Если вам когда-либо обследовали мозг или иную часть тела с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), то вы знаете, что для нее вас помещают в центр большого круглого магнита. Эта технология была разработана в 1990-е годы. Как и в случае метода с использованием 2-деоксиглюкозы (2-ДГ), фМРТ работает благодаря локальным изменениям мозгового кровообращения, которое во многом зависит от энергетических запросов активных нервных клеток. Используемый для фМРТ магнит большой потому, что именно в его центр должен помещаться человек. Изначально аппараты фМРТ создавали достаточно слабое магнитное поле в 1–2 Тл (тесла – единица измерения силы магнитного поля), а позже появились аппараты с полем до 4 Тл. фМРТ позволяет делать снимки активности с разрешением примерно от 0,00006 до 0,00012 кубических дюймов (от 1 до 2 мм³), где-то с толстую часть грифеля карандаша; при таком качестве изображения можно разглядеть отдельные зоны мозга, но слои на нем не рассмотришь.

Когда процедура фМРТ для людей еще находилась в разработке, для совершенствования этого метода аппаратного исследования и интерпретации результатов обычным делом было проведение сравнительного анализа между человеческими снимками и снимками мелких млекопитающих, например грызунов. Для фМРТ снимков грызунов используются маленькие магниты с диаметром центрального отверстия всего в несколько дюймов, и они гораздо мощнее, чем в «человеческих» аппаратах; сила создаваемого ими магнитного поля начинается от 11 Тл и позволяет получать снимки куда более высокого разрешения, приблизительно в 100 мкм (0.1 мм). Примерно такого же размера обонятельные гломерулы. Высокое разрешение снимков не единственное преимущество технологии фМРТ. Благодаря ему можно проверять реакцию на различные запахи, тратить меньше времени на стимуляцию и регистрировать более быстрые реакции.

Осознав, что эта технология подходит для изучения обонятельных схем активности, я понял, что пора действовать. Волею случая один из мировых центров разработки фМРТ, проводящий эксперименты на животных, находился в Йельском университете, двумя этажами ниже моей лаборатории. Мы с моим коллегой по проекту 2-деоксиглюкозы (2-ДГ) Чарльзом Гриром, встретились с руководителем программы фМРТ Робертом Шульманом и его коллегами Дугласом Ротманом и Фахмидом Хайдером и предложили им совместный проект, сделав упор на то, как здорово было бы научиться запечатлевать гломерулярный слой и, более того, идентифицировать отдельные активные гломерулы. Они с радостью приняли наше предложение и показали свою последнюю наработку: сделанные при помощи фМРТ снимки части мозга крысы, соответствующей вибриссам[47]; на них было видно, что каждому из 24 штук соответствует отдельная группа клеток коры головного мозга, называемая баррелем. Они продемонстрировали, что фМРТ позволяет регистрировать активность даже отдельного барреля, если на соответствующий ему волосок оказывается воздействие. Все быстро сошлись на том, что эксперименты с обонятельным восприятием должны увенчаться успехом.

Мы начали с магнита силой в 4,7 Тл. Вместе со специалистами по снимкам мы с Гриром разрабатывали «ольфактометр» (прибор для введения запахов), который бы позволил стимулировать обоняние находящейся под наркозом крысы, лежащей в камере аппарата. Полученные нами изображения превзошли самые смелые ожидания – на первых же снимках отчетливо просматривались схемы активности, происходившие, судя по всему, на том же гломерулярном слое, что в проекте 2-ДГ. Коллеги из лаборатории фМРТ сообщили, что наши снимки куда отчетливее, чем все полученные ими ранее фотографии других частей мозга. Мы объяснили, что четкость наверняка обусловлена схождением в гломерулярном слое обонятельной луковицы тысяч нервных волокон обонятельной системы, благодаря которым сигнальная активность клеток сопоставлялась с соответствующими гломерулами.

Схемы активности в обонятельной луковице крысы, полученные при помощи фМРТ, были дополнены результатами исследований методом 2-ДГ: разные запахи активировали разные схемы; схемы имели медиальную и латеральную (то есть серединную и боковую) проекции; в обеих обонятельных луковицах (это парный орган) наблюдались схожие схемы активности; количество задействованных в схеме активности клеток увеличивалось пропорционально повышению интенсивности запаха-раздражителя. Теперь мы могли использовать метод «фМРТ высокого разрешения» для поиска ответа на один из фундаментальных вопросов обонятельного восприятия – отличаются ли схемы активности в обонятельной луковице при стимуляции одного животного разными, но химически сходными запахами?

Ответ на этот вопрос мы решили искать уже в опытах на мышах. В те годы именно они считались лучшими подопытными животными для генетической модификации за счет короткого цикла размножения; это позволяло промаркировать различные группы клеток обонятельных рецепторов и соотнести их со схемами активности.

Мыши гораздо мельче крыс, и это существенно затрудняет их изучение при помощи фМРТ высокого разрешения. В отличие от взрослой крысы, средний вес которой составляет порядка 300 грамм, а то и больше, мышь может быть в десять раз меньше и весить всего лишь 30 грамм. Обонятельная луковица мыши пропорциональна ее размеру, а потому в разы меньше, чем у крысы. Правда, к тому моменту наши коллеги стали работать с магнитом до 7,6 Тл; магией тонкой настройки они довели разрешение снимков до показателей, близких к 100 мкм² (0,0001 мм²), что примерно соответствует размеру мышиных гломерул.

Проведение столь тонких экспериментов взял на себя аспирант лаборатории фМРТ Фукианг Хсю; в качестве раздражителя он использовал те же изомеры альдегидных молекул со скелетом от четырех до восьми атомов углерода, которые использовались для изучения рецепторов OR-I7, рассмотренного в главе 5. Обоняние животных стимулировалось раздражителями, магнит гудел, мы же обзаводились новыми снимками фМРТ. Как и в случае с методом 2-ДГ, снимки накладывались на анатомические изображения, таким образом происходила реконструкция схемы гломерулярной активности.

Основная идея показана на рис. 8.1. С левой стороны молекула запаха активирует рецептор, проникнув в его связующий «карман». На диаграмме изображен расположенный в полости носа пласт рецепторных клеток. Как уже упоминалось в главе 7, каждая рецепторная клетка передает свою реакцию в обонятельную луковицу; по нервному волокну (аксону) импульс от возбужденного рецептора передается в гломерулу. Все клетки с одинаковыми рецепторными молекулами, как правило, сопряжены с парой гломерул, расположенных на медиальной и латеральной сторонах обонятельной луковицы. Следовательно, при возбуждении отдельного рецептора сигналы всех клеток сосредотачиваются в этих молекулах-гломерулах. Получается, что хоть сколько-то возбужденные рецепторные клетки приводят к пропорциональной активации соответствующих им гломерул. Задействованные гломерулы складываются в узор, который мы и называем схемой активности.

Характерной чертой образов запаха является способность частично совпадать с другими образами, напоминать, но при этом отличаться.

В нижней половине рис. 8.1 показаны три схемы активности, запечатленные методом фМРТ в медиальной проекции, – эти схемы соответствуют обонятельной реакции на три близкие по структуре альдегидные молекулы запаха. Вы можете сравнить нижнюю часть левой схемы (ту, что отмечена скобкой) с изображенной в верхней части иллюстрацией медиальной проекции обонятельной луковицы. Отраженные на этих схемах молекулы являются изомерами и отличаются лишь количеством атомов в углеродном скелете (от четырех до шести).

Рис. 8.1. Формирование образа запаха. Верхняя часть: клетки обонятельных рецепторов рассредоточены по различным зонам обонятельного эпителия. Показан процесс передачи информации от задействованных в реакции рецепторов по аксонам в объединяющую гломерулу обонятельной луковицы. Градация серого цвета демонстрирует разные уровни активации гломерулярного слоя. Нижняя часть: плоскостные карты схем активности гломерулярного слоя, вызванные при стимуляции обоняния тремя разными молекулами запаха, отличающимися друг от друга лишь на один атом углерода. (Составлено по материалам статьи G. M. Shepherd, Smell is and the fl avour system in the human brain, Nature 444 [2006]: 316–321/

Эти пространственные схемы следует воспринимать как проекцию информации, переносимой молекулами запаха. По аналогии с системой зрительного восприятия, где схема активности на сетчатке называется визуальным образом, мы можем назвать схему на обонятельной луковице обонятельным образом, или же образом запаха. Подводя итоги, можно сказать, что характерными чертами образа запаха является способность задействовать в схеме активности большую часть обонятельной луковицы и частично совпадать с другими образами, но при этом оставаться разными. Как и в случае схем активности, полученных методом 2-ДГ, образы запаха увеличиваются в объеме по мере повышения концентрации обонятельного раздражителя.

Мы знаем, что схемы активности разные, даже когда их зоны активности отчасти пересекаются; но знает ли об этом мышь? Способна ли она своим поведением показать, что различает запахи, столь близкие на молекулярном уровне? Для этого эксперимента ко мне присоединился Маттиас Ласка. Ласка был ведущим психологом исследований обонятельного восприятия приматов и иных животных. Вместе с аспирантом Йельского университета по имени Дипа Джоши они проводили эксперименты с помощью поведенческого ольфактометра – пластикового ящика с двумя небольшими отверстиями для подачи двух разных запахов. Животных обучили принюхиваться к обоим запахам и подавать сигнал в случае, если они отличаются; за это им давали небольшое поощрение. Внутри ольфактометра находилась сложная конструкция из стекла, тефлоновых трубок и вентилей, позволяющих управлять чистотой запахов и подавать их краткими вбросами.

 Чтобы понять, чувствуют ли животные различия запахов, ученые обучили их принюхиваться к двум разным одновременно и подавать сигнал, если запахи отличаются.

В результате серии опытов было установлено, что мыши прекрасно отличают друг от друга даже почти идентичные молекулы запаха. Это относится как к молекулам с разницей в один атом углерода, так и к тем, где разнятся два и более атома. Выявленная дискриминационная чувствительность обоняния оказалась в разы выше, чем у иммунной системы; там, как уже упоминалось в главе 4, эпитоп (участок молекулы антигена, соединяющийся с антителом) состоит из белковой цепочки в дюжину или более аминокислот. Сравните это с чувствительностью, позволяющей распознать разницу в один атом углерода, – такая восприимчивость возносит обоняние на недосягаемые для прочих сенсорных систем высоты.

В биологии у каждого метода исследования есть свои преимущества и ограничения. Методы 2-ДГ и фМРТ позволяют запечатлеть схемы активности, раскинувшиеся на всю обонятельную луковицу, но при этом требующие постоянной подачи раздражителя (вместо кратких выбросов одорированного вещества), а их разрешение не дает возможности отчетливо запечатлевать отдельные гломерулы. Как уже упоминалось в главе 7, помимо 2-ДГ и фМРТ ученые разработали множество других методов аппаратного исследования. Некоторые завязаны на микроскопии и наблюдении за активацией отдельных гломерул. Клетки предварительно маркируются флуоресцентными красками, чувствительными к изменениям электрической активности, или фиксируются малейшие изменения в микроциркуляции – эта группа называется оптическими методами. Другие методы регистрируют электрофизиологическую активность нервных клеток. В сравнении с 2-ДГ и фМРТ эти методы более узкие и специализированные, их охват меньше, а детализация – выше. При исследовании обонятельной реакции на упомянутую ранее группу альдегидов специализированными методами было установлено, что общий принцип схем клеточной активности – пересекаются, но отличаются – сохраняется и на уровне отдельных гломерул.

У методов, использующих микроскопию, есть существенный минус – с их помощью можно увидеть только тыльную сторону обонятельной луковицы, то есть 10–15 % ее поверхности. Это примерно то же самое, как смотреть на чье-то лицо, но видеть лишь одно ухо или бровь.

Кенсаку Мори и его токийские коллеги нашли способ избавиться от этого ограничения. В 2010 году они опубликовали исследование, в котором метод микроскопии был успешно использован для изучения и поперечного сечения обонятельной луковицы. Их открытие позволило исследовать схемы активности как никогда ранее. Им удалось запечатлеть схемы активации широкого спектра запахов. Общий принцип построения схем таков – запахи с близкой химической структурой молекул активируют находящиеся поблизости другие гломерулы; гломерулы, реагирующие на схожие группы запахов, как правило, располагаются кластерами.

Все упомянутые исследования подкрепляли и дополняли результаты, полученные с помощью 2-ДГ. Схемы активности были выявлены у нескольких видов позвоночных, в том числе рыб, саламандр, мышей, крыс, кроликов и обезьян; обнаружились они и у беспозвоночных (в части мозга, отвечающей за обонятельное восприятие), в том числе у медоносных пчел, фруктовых мушек и у табачного бражника. Все это доказывает, что гломерулы являются характерной чертой обонятельных систем у самых разных представителей фауны, а также что функция гломерул неразрывно связана со схемами активности. В совокупности результат этих исследований позволяет предположить, что запахи как минимум частично кодируются в виде пространственных схем активности, а это позволяет нам сделать первый вывод о механизме обоняния в целом: нейронной основой кодирования запаха является дифференциальная активация обонятельных гломерул. Мы вняли Эдгару Адриану, посоветовавшему «присмотреться к гломерулам», и не разочаровались.

Появление новых доказательств состоятельности первоначальных гипотез позволило по-новому взглянуть на нейронную подоплеку обоняния. Мы впервые могли утверждать, что, подобно тому как непространственный механизм восприятия звуковых частот проявляется в виде частотной карты в улитке внутреннего уха, так и сиюминутная модальность запаха отображается в виде схем активности, возникающих в обонятельной луковице. Это и подразумевается под «использованием нейронного пространства непространственной модальностью».

В пользу гипотезы о схожести обоняния с системой зрительного восприятия говорит и то, что молекулы запаха отображаются в виде пространственных схем. Когда мы смотрим на что-то, то воспринимаем это в виде пространственной схемы – зрительного образа. Проводя аналогию между этими системами, я предлагаю следующую гипотезу: когда мы чувствуем запах, то воспринимаем его как пространственную схему активности, которую мы также можем назвать «обонятельным образом» или же «образом запаха».

Преимуществом этой гипотезы является возможность прибегнуть к обширным наработкам прошлых и текущих исследований схем зрительного восприятия. Поскольку образы запаха проявляются в виде нерегулярных схем активности, они не очень похожи на воспринимаемые зрительно геометрически правильные очертания, присущие многим объектам, и имеют скорее неправильные очертания, свойственные растениям, животным и, в особенности, человеческим лицам.

Люди превосходно разбираются в лицах. Классический пример – если перед вами целая комната женщин преклонных лет, вы сразу заметите, если одной из них будет ваша бабушка. В то же время, если вас попросят описать лицо вашей бабушки другому человеку, вам будет очень сложно – у нас банально не хватит словарного запаса и не найдется подходящей системы координат, чтобы описать, как именно работает наше восприятие в случае распознавания лица. Тем не менее мы делаем это безошибочно. Как же это работает?

Распознавание лиц является очень серьезной темой для изучения – она важна не только для создания и программирования искусственных систем распознавания зрительных образов, но и для правоохранительных ведомств, которым нужно создавать фотороботы по устному описанию свидетелей. Терри Ландау в своей книге «О лицах: эволюция человеческого лица» описывает процесс распознавания лиц следующим образом:

«То, что вы видите и узнаете в лице другого человека, определяется уникальной схемой, складывающейся из совокупности черт. Это и есть идентичность. Дело не в особенностях отдельных черт лица и не в расстоянии между ними. В данном случае значение имеет именно соотношение между совокупностью этих факторов [то есть в гештальте], благодаря которому мы можем распознать лицо преступника или своего друга. Лицо не получится поделить на части и проанализировать по отдельности. Когда вы смотрите на лицо, то чаще всего и вовсе не можете сказать, на что именно вы смотрите, ведь процесс вербального общения почти не пересекается с распознаванием образов. На лице закодирована идентичность, и мы воспринимаем ее целиком, без деталей. Сущность процесса распознания непросто уловить и сформулировать, но он происходит сразу на нескольких уровнях восприятия и дает нам один из наиважнейших социальных навыков – способность узнавать друг друга плюс воспринимать личность тех, кого мы видим».

То, что вы видите и узнаете в лице другого человека, определяется уникальной схемой, складывающейся из совокупности черт. Так что дело не в особенностях отдельных черт лица и не в расстоянии между ними.

Логично предположить, что аналогичным образом происходит и распознавание схем запахов в обонятельной луковице. Мы воспринимаем схему в целом, учимся соотносить ее с соответствующим «объектом запаха» и отличаем этот объект от схем иных запахов, даже если они очень близки по структуре, но несут иной поведенческий стимул.

Продолжая развивать эту аналогию, стоит отметить, что в цитате Ландау говорится именно про распознавание однократно увиденного лица – в таких случаях мы запоминаем лицо в целом, гештальт (за исключением одной наиболее заметной черты). Совсем по-иному работает механизм узнавания давно знакомого лица: в таком случае нам достаточно на мгновение заметить часть этого лица или увидеть его при слабом освещении. Особенно хорошо узнают лица по отрывочным визуальным признакам животные. Как пример можно привести пикселизированные фотографии Авраама Линкольна и портрета Моны Лизы. Несмотря на крайне низкое разрешение, мы спокойно узнаем их лица – мы постоянно повышаем наш навык распознавания схем и можем сопоставить сохраненный в памяти образ с воспринимаемым в текущий момент изображением, даже если оно размыто. Очевидно, что адаптационный компонент зрительного восприятия чрезвычайно важен – способность распознать добычу или хищника в промелькнувшей под сенью сумеречного леса тени является вопросом жизни или смерти, как и умение узнать лицо друга или врага, скрывающегося в тени. Большинство животных ориентируется в основном по запаху, следовательно, для них не менее жизненно важной является и способность идентифицировать образы запахов так, как зрение позволяет распознавать лица.

В случае системы зрительного восприятия несложно представить себе концепцию зрительного образа, проецируемого на сетчатку глаза, ведь этот образ сохраняется неизменным в течение нескольких стадий обработки, которые он проходит на пути от сетчатки до высших корковых центров или высших центров коры головного мозга. Образ же запаха разительно отличается от зрительного как минимум потому, что мы не осознаем факт формирования этого образа в наших обонятельных луковицах. Можно предположить, что это обусловлено тем, что образы запаха не воспроизводят реальный мир запаха, а создают лишь представление мозга о том, как выглядит мир запахов. Мозг интересует лишь то, как обработать образ и сформировать основу восприятия различных запахов и объектов запаха.

Чтобы понять, как именно из образов запаха формируется основа обонятельного восприятия, нам придется вновь заглянуть в мозг и узнать, как он обрабатывает их на последующих, более высоких уровнях восприятия.

Глава 9

Пуантилизм образов запаха

Нейронную основу нашей способности воспринимать широкий спектр запахов можно сравнить с нейронной основой восприятия цвета. Лучшей аналогией в данном случае является один из стилей живописи – пуантилизм.

Для формирования в мозгу смотрящего на картину восприятия цвета можно нанести краску на холст двумя способами. Можно смешать краски и получить определенный оттенок цвета: красный и белый для розового, синий и желтый для зеленого и так далее.

Второй же вариант подразумевает размещение на холсте отдельных «точек» разного цвета, а эффект смешения достигается на расстоянии, превращаясь в восприятии зрителя в новые, смешанные цвета. Это и есть метод пуантилизма. Его придумал и усовершенствовал художник-постимпрессионист Жорж-Пьер Сёра, который в свою очередь вдохновлялся трудами и ориентировался на теоретиков зрительного восприятия, ключевым из которых был Герман Гельмгольц. Другой известный художник-пуантилист – Поль Синьяк.

К примеру, картина Сёра «Воскресный день на острове Гран-Жатт» состоит из тысяч маленьких точек, складывающихся в несколько дюжин человеческих фигур на набережной реки Сены в пригороде Парижа в солнечный воскресный день. Чем ближе вы подходите, тем отчетливее различаете отдельные цветные точки, а вот фигуры, которые из них складываются, становятся всё менее различимыми; с каждым шагом, отдаляющим вас от картины, вам становится всё проще воспринимать изображенное. Описываемое произведение находится в коллекции Чикагского института искусств. (Вы можете удостовериться в особом эффекте картин в стиле пуантилизма, просто открыв цветную репродукцию картины на экране своего устройства.)

При публикации в газетах и журналах фотографий и иных графических изображений используются такие же точки, как на картинах пуантилистов, – картинки состоят из градации серых или цветных точек. В изобразительном искусстве хорошим примером пуантилизма, доведенного до абсурдности, являются работы Энди Уорхола – в его картинах, изображающих персонажей мультфильмов и голливудских знаменитостей, крупные точки являются центральным элементом художественной композиции.

То, что мы называем цветом, на самом деле является восприятием электромагнитных волн разной длины, которые в разной мере стимулируют наши фоторецепторы; непосредственно «цвет» является продуктом работы мозга.

Несколько лет тому назад мы с Терри Акри из Корнеллского университета одновременно пришли к одному и тому же выводу – примеры механизмов зрительного восприятия могут поспособствовать пониманию механизмов обонятельного восприятия. Точки цветной краски, отражающие световые волны разной длины, аналогичны элементам обонятельной луковицы под названием гломерулы, каждая из которых активируется разными запахами преференциально и дифференциально. Схемы цветовых точек картины «На острове Гран-Жатт» соответствуют схемам активных гломерул (см. рис. 8.1). Для получения сложного эффекта смешения красок и полноценного восприятия картины эти цветовые схемы нужно рассматривать с некоторого расстояния. Аналогично может работать и распознавание закодированного в схеме активности запаха – необходимо некое «расстояние», способ считывания, который позволил бы добиться «смешения запахов» на основе эффектов соседствующих рядом элементов гломерулярного слоя. Иллюзия объединения цветных точек по мере отдаления вполне применима и к схемам, показанным на рис. 8.1.

Нейронные цепи системы обонятельного восприятия в головном мозге предназначены именно для многоступенчатого процесса переработки схем в единый образ. Последовательность этих этапов вы видели на рис. 7.1. Постепенно мы рассмотрим все этапы преобразования пуантилистских схем запаха и узнаем, как наш разум формирует обонятельное восприятие окружающего нас мира.

Сравнение обоняния с восприятием цвета позволило выявить еще одно интересное сходство. То, что мы называем цветом, на самом деле – восприятие электромагнитных волн разной длины, которые в разной мере стимулируют наши фоторецепторы; непосредственно «цвет» является продуктом работы мозга. Схожая ситуация наблюдается и в обонянии – в молекулах, стимулирующих обонятельные рецепторы, «запаха» как такового просто нет. «Запах» формируется мозгом на основе отличительных характеристик молекул запаха. Механизмы преобразования служат фундаментом обоняния и восприятия вкусовых ощущений; потому этот процесс и вынесен в подзаголовок книги. По мере того как мы будем углубляться в хитросплетения системы восприятия запаха, мы минуем сферу стимулов и окажемся в нейронных цепях, обрабатывающих информацию, а затем достигнем мозга, где формируется наш субъективный мир. Сейчас же нам пора приступить к рассмотрению упомянутых нейронных цепочек обработки данных.

Как уже упоминалось, в длине световых волн и фотонах цвета нет. Цвет – это сенсорное качество, создаваемое нашим мозгом. Всякий раз, когда мы смотрим на цветок, его красочность напоминает нам о том, насколько блеклым и тоскливым был бы окружающий мир, если разные длины волн света воспринимались бы исключительно как оттенки серого спектра; ярко-красный цветок красного цвета лишь потому, что нейронные цепи нашего мозга выбрали отражаемую им длину световой волны для восприятия в этом цвете.

По аналогии мы можем предположить, что мир запахов также казался бы нам отрывками недооформленных ощущений, не будь в нашей обонятельной системе цепочек обработки, присваивающих определенным видам активности рецепторов качества, позволяющие нам отличать один вид стимула от другого. Способность создавать это сенсорное качество, которое философы называют квалией[48], на основе определенного запаха зарождается в удивительных структурах под названием гломерулы.

Информация от всех сенсорных систем, попав в мозг, проходит несколько последовательных стадий обработки для выявления наиболее важных элементов, необходимых для восприятия и распознания раздражителей. Аналогичным образом работает и система обоняния – поступающая информация в форме «образа запаха» проходит несколько стадий обработки. Для большей наглядности последовательность процессов можно сравнить, к примеру, с системой визуального восприятия (см. рис. 7.1).

Первая стадия преобразования стимула происходит в обонятельной луковице, в том слое, где формируется сам образ запаха. Затем запах усиливается мощной системой процессов латеральной ингибиции. Из обонятельной луковицы усиленный запах отправляется в обонятельную кору головного мозга, где кортикальные модули преобразовывают образ запаха в формат, подходящий для ассоциативной памяти. На финальной стадии обработки этот запечатленный в памяти образ передается на самый верх больших полушарий, в высшие мыслительные центры новой коры (которую также называют неокортексом), где сложная система кортикальных модулей создает на основе образа ассоциативной памяти сознательное восприятие обонятельного стимула.

Если кратко, то схема преобразования пуантилистского образа запаха выглядит следующим образом: локальная обработка, глобальное форматирование, усиление эмоциональной коннотацией, сознательное восприятие.

Каждый из этих этапов осуществляется отдельной микросистемой, которые мы рассмотрим в последующих главах.

Продолжая проводить параллели между системой обоняния и картиной пуантилиста, можно сказать, что каждая точка является отдельной гломерулой обонятельной системы. Маленькие гломерулы поистине удивительны, ведь именно они представляют собой наиболее разноплановую многоклеточную структуру нашего мозга. Неудивительно, что Эдгар Адриан посоветовал мне «присмотреться к гломерулам», кои в те годы считались не более чем рядовой простейшей структурой этой сенсорной системы; в наши дни их структура и функции являются объектом тщательного изучения многих специалистов по молекулярной биологии.

По сути, гломерулы являются тесным скоплением связей, откуда сигналы из носа передаются в мозг (см. рис. 7.1). Здесь заканчиваются нервные волокна (аксоны), идущие от рецепторных клеток носа; они состыковываются с короткими ответвлениями (дендритами) нервных клеток обонятельной луковицы. Каждая гломерула связана даже не с сотнями, а многими тысячами нервных клеток обонятельной луковицы. К примеру, у кролика имеется порядка 50 миллионов клеток обонятельных рецепторов и всего 2000 гломерул. Получается, что на одну гломерулу в среднем приходится порядка 25 000 клеток; мы называем это коэффициентом сужения, и в данном случае он получается 25 000:1. Такого высокого коэффициента связи одного типа клетки с одним видом целевой структуры в мозге больше нет.

 У кролика имеется порядка 50 миллионов клеток обонятельных рецепторов.

Страницы: «« « 1234567 » »»