Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу - Энн-Софи Барвич

интерпретированы совершенно иначе в зависимости от прочтения. Например, тот факт, что солнце встает на востоке и садится на западе, вполне совместим и с геоцентрической, и с гелиоцентрической моделью Вселенной: одни данные, разные модели. Теперь мы увидели, что ситуация аналогична и для комбинаторного кодирования запахов на уровне рецепторов. Так как же мозг узнает, что на самом деле происходит за пределами носа? Как нос может точно передать, с какими запахами он встречается? И в чем могла бы заключаться функция такого неопределенного кодирования?

Без модели, учитывающей поведение рецепторов, мы не сможем понять, как мозг придает смысл запахам, о чем сигнализирует и что отражает картина активности нейронов. Лу с соавторами отмечают, что их выводы о кодировании на уровне рецепторов имеют последствия для обработки сигнала центральной нервной системой. Они считают, что мозг идентифицирует запахи путем распознавания образов, а не через комбинаторное кодирование и топографическую репрезентацию: «Учитывая недавние исследования грушевидной коры мозга, указывающие на отсутствие топографического представления, существуют многочисленные предпосылки к рассмотрению альтернативных стратегий кодирования, которые также объясняют модулирующее действие рецепторов на первой стадии определения запахов». В двух последующих главах мы подробнее рассмотрим обоснованность этого заявления и возможность построения соответствующих альтернативных моделей.

А пока давайте заключим, что эффект, вызванный смесью запахов, нельзя предсказать, используя модели, описывающие кодирование запаха для отдельных компонентов. Хотя точные механизмы в основе этих эффектов все еще находятся на стадии изучения, мы видим, что общая теория обоняния должна исходить из ответа рецепторов на стимулы, а не из химической топологии, определяемой традиционной химией. Стивен Мангер комментирует: «То, что в конечном итоге видит мозг, возможно, совсем не связано с тем, что сделал бы отдельный компонент».

Где молекулярная наука встречается с парфюмерией

Обонятельная система эволюционировала так, чтобы оценивать запахи в контексте, а не по отдельности. Это первый важнейший шаг к пониманию механизмов кодирования запаха, которое продолжается на этапе обработки сигнала мозгом. Облака молекул – не разрозненные делимые объекты, ведь одоранты смешиваются с элементами окружающего пространства. Поэтому нос измеряет запахи относительно друг друга и как часть обонятельного ландшафта. Это подразумевает решение двух задач: сравнение сложных смесей (одинаковые или разные) и выявление составляющих компонентов сложных смесей. То, что в таком контексте нос может распознавать отдельные летучие вещества с удивительной точностью, не означает, что это главный вычислительный принцип восприятия.

Восприятие смесей запахов – это та область, где молекулярная наука пересекается со знаниями парфюмерии. На уровне обонятельных рецепторов при кодировании смесей наблюдаются эффекты подавления и активации. Эти молекулярные эффекты, удивившие ученых, уже давно хорошо известны парфюмерам.

Рассмотрим пример туалетной революции (да, вы правильно прочли!). Недавно фонд Билла и Мелинды Гейтс объединил усилия с компанией Firmenich – крупнейшим мировым производителем ароматических веществ – для борьбы с запахом в общественных туалетах в сельской местности с минимальной доступностью водных ресурсов[295]. Туалеты без воды – санитарная проблема, так как вода нейтрализует большую часть амбре. Без воды общественные туалеты превращаются в камеры пыток, перенасыщенные вонью фекалий, мочи, тел, пищи и курева. Вы просто захлебываетесь запахом. Понятно, что люди предпочитают испражняться в поле, на свежем воздухе, а это грозит распространением заболеваний и служит источником инфекций. Чтобы изменить поведение людей, Firmenich и фонд Гейтсов совместными усилиями работали над тем, чтобы сделать запах таких туалетов приемлемым.

Кроме общественного блага, эта работа имеет фундаментальный научный интерес. Она демонстрирует возможность связать восприятие с молекулярными основами, на которых можно построить модель обонятельного кодирования. Участник программы Мэтт Роджерс комментирует: «Проект направлен на создание средств против неприятных запахов, являющихся антагонистами рецепторов, это поиск молекул, которые закрывают рецепторы от неприятных запахов; такие молекулы были идентифицированы и использовались в общественных туалетах в Африке. Мы передали этот список антагонистов парфюмеру, который должен был создать ароматическое средство с такими молекулами-антагонистами».

Парфюмеры знают, а ученые начинают осознавать, что многие аспекты восприятия запахов возникают при смешивании молекул (см. главу 3). Некоторые одоранты действуют как антагонисты и подавляют восприятие других компонентов в смеси. Однако превращение одоранта в антагонист часто зависит от сочетания с другими молекулами смеси. Сенсорная система не суммирует стимулы; она часто основывается на принципах, которые проявляются только при кодировании смесей.

В этой точке пересечения молекулярного и перцептивного опыта есть возможность для подключения психологии. Психологические рассуждения помогают определить вычислительные принципы, соединяющие кодирование запаха на молекулярном уровне с наблюдаемыми эффектами восприятия (см. главу 9). Марион Фрэнк из Коннектикутского университета заявляет: «Нужно учитывать, как обонятельная система действует в естественных условиях. А именно – что она делает с тремя-четырьмя разными химическими веществами одновременно, если интенсивность каждого из них меняется со временем». Цифры, названные Фрэнк, не случайны, они связаны с пределом Лэйнга (по имени Дэвида Лэйнга, выполнившего серию исследований на эту тему в 1980-х годах)[296]. Лэйнг обнаружил максимальное количество индивидуальных запахов, которые человек (с тренировкой и без тренировки) может различить в одной сложной смеси. Обычно оно составляет три отдельные ноты для нетренированного носа и от трех до пяти нот для носа эксперта, а значит, существует некий общий предел возможностей сенсорной обработки, и дело не в отсутствии опыта. И это дает нам первый важнейший ключ к пониманию кодирования запахов: механизм строится на распознавании образов, а распознавание образов определяется не кодированием отдельных запахов, а тем, как система обрабатывает их сочетания.

Нос собирает образцы – а мозг измеряет смеси. Эта идея измерения вступает в игру двумя способами уже на периферии.

Во-первых, система должна быть откалибрована. Чтобы мозг мог измерять внешние показатели, он должен иметь основу для оценки изменений, обнаружения новых объектов и выявления особенностей. Замечательно, что обонятельная система делает все это, не отвлекаясь на фоновые запахи. Дело в том, что наш нос быстро привыкает к запахам, хотя и с разной скоростью. Неравномерное привыкание обонятельных рецепторов стимулирует научное исследование смесей. И эта неоднородная адаптация – определяющий механизм в восприятии смесей.

Восприятие некоторых компонентов смеси через какое-то время подавляется из-за избирательной адаптации, так что неадаптированные элементы становятся более заметными[297].В результате одна и та же смесь воспринимается иначе в зависимости от того, сколько времени человек ее нюхает. Кроме того, скорость адаптации у людей разная. Томас Хеттингер считает, что избирательная адаптация объясняет, как наша обонятельная система настраивается на восприятие запахов в составе смесей. «Допустим, мы берем смесь из трех компонентов, а затем добавляем в нее четвертый. Сначала несколько минут мы нюхаем смесь из трех компонентов; мы «адаптируемся» к этому фону. Затем мы сразу же нюхаем смесь с четвертым компонентом. Четвертый компонент воспринимается