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

луковицы, сосредоточен на ее генетической и эволюционной базе, и он внесет ясность в проблемы причины и следствия, задавшись вопросом: предопределено ли строение луковицы?

Отпечаток каждого запаха

Целенаправленный научный интерес к обонятельной луковице возник тогда, когда в центре развития нейробиологии оказалось топографическое моделирование. Об этом рассказывает Гордон Шеферд, занимающийся изучением луковицы с начала 1970-х годов. Он хотел показать, что обонятельная система не так уж сильно отличается от других сенсорных систем, что она не такая особенная, как считали многие ученые. Шеферд вспоминает: «Наконец мы обнаружили картины, соответствующие запахам! Те самые основные свойства, что были найдены в соматосенсорной системе, в зрительной системе, в моторной системе и так далее. Я думаю, это должно быть справедливо и для обоняния».

Фаерштейн вспоминает время, когда был постдокторантом в лаборатории Шеферда: «Гордон был упорным сторонником идеи, что обонятельная система – часть основного направления исследований в нейробиологии. Что ее механизмы – как бы она ни работала и как бы мы об этом ни узнали – соответствуют тому, что нам уже известно о нейробиологии, и совместимо с существующими моделями. В то время такой взгляд не был общепринятым. Многие подозревали, что обоняние – уникальная, в каком-то смысле странная система, и что ее правила отличаются от правил остальных частей нервной системы, особенно других сенсорных систем, и именно поэтому так трудно ее изучать, отслеживать и экспериментировать с ней. Обоняние отличалось в том или ином смысле. Но Гордон считал иначе. Он чувствовал, что все, что мы узнаем о происходящем на периферии, в центре или в любом другом участке обонятельной системы, будет иметь смысл в общем контексте мозга и нейробиологии в целом».

«Преодолеть это было очень сложно, – добавляет Шеферд. – Специалисты по обонянию, поддерживаемые и побуждаемые специалистами по ароматам, настаивали, что это особая область. Я помню, как один человек из IFF [International Fragrances and Flavors] заявил, что мы никогда не сможем достоверно определить физиологический ответ на какие-либо специфические запахи, поскольку они всегда загрязнены. Будучи химиками-органиками, они очень хорошо представляли себе, насколько сложно получить лишенный запаха воздух, в который потом разные запахи можно включать. Если запах связан с присутствием минимального количества какого-то вещества (что справедливо всегда), как же можно сказать, что вы работаете с веществом A, если это также может быть B, C, D или E? Поэтому очень трудно поверить, что в области обоняния удастся проводить стандартные физиологические исследования, как с другими системами».

Эти проблемы не мешали попыткам Шеферда, и оказалось, что он был прав. Он нашел в луковице несколько совершенно четких и разделенных в пространстве картин активации[321].

Однако по-прежнему не хватало важнейшего звена. Чтобы подтвердить, что активность луковицы представляла собой карту стимулов, ученым нужны были рецепторы – зона контакта с входным сигналом, определявшая взаимодействие стимулов с обонятельной системой. Фаерштейн поясняет: «Очень небольшая часть [нейробиологических исследований] была направлена на изучение запаха. Ученых интересовала схема обонятельной луковицы. Что с чем связано и каким образом? В каком направлении движутся сигналы? На самом деле большой объем работы можно сделать без использования запахов». Для сенсорной физиологии это не такая уж необычная стратегия. «Огромное количество данных о передаче сигналов в сетчатке получено без использования света», – подчеркивает Фаерштейн.

Когда стало ясно, как сигнал структурирован на уровне рецепторов, все ожидали, что это должно находить отражение в разных отделах мозга. С открытием Бак и Акселя ученые получили недостающий фрагмент паззла.

Следующий этап казался очевидным: связать химию стимулов с картиной активации луковицы через конкретные рецепторы. Сообщество ученых, занимавшихся обонянием, начало лихорадочно искать код. Однако кодирование на уровне рецепторов оказалось более серьезной проблемой, чем ожидалось. Представьте, что у вас есть несколько сотен или даже тысяча типов рецепторов. Рецепторы активируются комбинаторно и распределены в эпителии случайным образом. «Как мозг может узнать, какие клетки активируются конкретным запахом?» – подытоживает Аксель.

Ответ был получен в 1996 году. Бывший постдокторант Акселя в Колумбийском университете, а теперь директор лаборатории во Франкфурте Питер Момбертс обнаружил, что обонятельная система обрабатывает случайные сигналы от рецепторов весьма хитрым способом[322]. Казалось, что каждая сенсорная клетка имеет рецептор только одного типа, но, согласно Момбертсу, сомнения в универсальности правила «один рецептор – один нейрон» можно было отбросить[323]. Аксель объясняет: «Выяснилось, что [у мыши] тысяча рецепторов и все клетки с одним и тем же рецептором, вне зависимости от их расположения в носу, отправляют сигнал через череп на первую станцию в мозге, где все они сливаются в определенной точке – в клубочках».

Это просто мечта инженера. Принцип «один рецептор – один нейрон» сокращал уровень сложности на последующих этапах по сравнению с чрезвычайно сложной организацией на уровне рецепторов. Поскольку обонятельная система отличается невероятно запутанным устройством, Грир отмечает: «Если вы пытаетесь представить путь от обонятельного эпителия к обонятельной луковице, это совершенно очевидно самый хаотический путь во всей нервной системе. У вас примерно 1,2 или 1,3 миллиона клеток на каждой стороне носа, и каждая клетка происходит из какой-то определенной точки внутри обонятельного эпителия. Затем ее аксон должен отправиться [в обонятельную луковицу], где он сольется с другими аксонами клеток с рецептором того же запаха».

Если бы аксоны не сливались друг с другом в соответствии с типом рецепторов, невозможно было бы представить, как обонятельная система различала бы входные сигналы.

Внезапно перед учеными открылись новые экспериментальные возможности. Теперь можно было следить за сигналами от рецепторных клеток в эпителии напрямую до того места в луковице, где происходит их слияние.

Аксель вспоминает: «Мы брали зонд для конкретного рецептора и предполагали, что нам удастся проанализировать путь сенсорного нейрона из эпителия в мозг по наличию РНК рецепторов в мозге. Мы считали, что, возможно, какая-то РНК присутствует в клеточных отростках, в аксонах. И поэтому мы сделали то, что называется гибридизацией in situ [использование нити комплементарного генетического материала в качестве зонда для определения локализации специфических тканей] и просто искали РНК рецепторов в мозге. И мы действительно увидели точки. Все рецепторы узнавали разные локусы в луковице. Потом Момбертс показал экспериментальным путем, что эти локусы соответствовали клубочкам. В то время это был сумасшедший эксперимент. Но он сработал!»

Эксперимент Момбертса имел колоссальное значение: для каждого запаха должна существовать своя картина активации. Фиксированный код клубочков соответствует разным запахам. Например, цитраль активирует специфический набор клубочков {G1; G5; G6; G204}, а мускус кетон активирует набор {G5; G6; G30; G50; G400; G420}. Если вы нюхаете эти вещества, а мы в это время проводим функциональную магнитно-резонансную томографию вашего мозга