Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Такие сложные биологические системы, как системы чувств, редко удается понять только через призму свойств составляющих элементов. Яркий пример – конвергентная организация[301] рецепторов в обонятельной луковице, обладающей дискретной пространственной активностью. Насколько такая структура определяет функцию? «Мы этого не знаем, – комментирует Стюарт Фаерштейн. – В нейробиологии и, возможно, во многих разделах биологии вы обнаруживаете нечто и решаете, что оно очень хорошо соответствует конкретной функции. Но часто вы не знаете, выглядит ли оно так, поскольку хорошо соответствует данной функции, или это одно из решений, возникших в процессе развития, которое не имеет никакого отношения к функционированию взрослого организма – это лишь был простейший путь для ее формирования. Я думаю, ситуация именно такова [в обонятельной луковице]». Что это означает для нашего понимания функционирования обонятельного мозга?

Обонятельный путь кажется очевидным. Это почти непрерывный путь из воздуха к коре мозга. Лишь два синапса опосредуют воспроизведение химической информации из окружающей среды на уровне нейронов. Это самый прямой сигнальный путь среди всех сенсорных систем (в зрительной системе два синапса не выводят даже за пределы сетчатки!) Но мы все еще не понимаем до конца, как обонятельный мозг отражает сенсорную информацию. Эта простота обманчива.

Как дезорганизованная на уровне эпителия мозаика информации складывается в стойкий образ при переходе всего через один или два синапса? Сейчас этот вопрос находится в фокусе нейробиологических исследований, поскольку, как выясняется, обонятельный мозг – не укороченная версия других сенсорных систем. Функциональная локализация – основная парадигма сенсорной нейробиологии – связана со стереотипным (то есть генетически заданным и воспроизводимым) отражением стимула на карте сенсорной коры. Но, похоже, эта модель не применима к обонянию. Отличие нейронной организации обонятельной системы от организации других сенсорных систем – тема этой и следующей глав. Функционирование обонятельной луковицы отражает скрытую сложность обработки обонятельных сигналов.

Один-два синапса – и мы в коре

На первый взгляд обонятельная система представляет собой простой путь, состоящий из трех основных этапов. Сначала информация отбирается рецепторами, расположенными на ресничках чувствительных нейронов назального эпителия. Как мы обсуждали в Главе 6, картина активации на уровне рецепторов не имеет определенной пространственной организации. Далее сигналы рецепторов отсылаются в обонятельную луковицу, расположенную в нижней части лобной доли мозга, где они собираются в так называемых клубочках[302] (сферических нейронных структурах). И неожиданно в луковице мы обнаруживаем пространственно различимые картины активации. Это возможно благодаря особым генетическим свойствам системы. Каждый клубочек принимает сигналы ото всех нейронов, в которых экспрессируется ген одного специфического рецептора. (На самом деле из экспериментов на мышах известно, что нейроны, экспрессирующие ген одного и того же рецептора, проецируются примерно в два клубочка: иногда чуть больше, иногда чуть меньше). А клубочки иннервированы митральными клетками. Здесь осуществляется первый синаптический переход.

Митральные клетки, названные так из-за сходства их формы с головным убором католического епископа, принимают сигнал от рецепторных нейронов и передают в определенные области обонятельной коры. Аксоны митральных клеток ведут к амигдале, энторинальной коре и обонятельному бугорку, но большинство доходит до так называемой грушевидной (или пириформной) коры – самого обширного отдела обонятельной коры, который связан с некоторыми соседними отделами коры уже вне обонятельной системы. Здесь обонятельные сигналы быстро смешиваются с сигналами из областей, связанных со многими другими процессами с перекрестной модальностью (обонятельный бугорок), с процессом принятия решений (орбитофронтальная кора), памятью (гиппокамп) и эмоциями (амигдала). Это место второго синаптического контакта.

Рамон-и-Кахаль в начале XX века указывал на эти особенности обонятельного пути. Его изображение обонятельной системы отражает ранние научные представления (рис. 7.1)[303].Кахаль считал, что простой путь обоняния служит прекрасной моделью для изучения мозга в целом.

В исследованиях мозга в XX веке совет Рамон-и-Кахаля был забыт. Отчасти по методологическим причинам: обонятельный стимул сложно передать и сложно контролировать (см. глава 1). Также казалось невозможным обнаружить в носу рецептивное поле, такое как Куффлер нашел в сетчатке глаза (см. глава 2). В ретроспективе это становится понятным, если учесть большое разнообразие рецепторов и данные современных исследований кодирования запаха. И все же почему за три последних десятилетия уже после открытия рецепторов так и не был взломан код обонятельных нейронов? Если исходить из наблюдений Рамон-и-Кахаля, это может показаться достаточно очевидным делом.

РИС. 7.1. Рисунок обонятельного пути, выполненный Рамон-и-Кахалем. Показано, как заключенная в запахе информация передается через два синапса: первый на уровне клубочков (сферические структуры слева), второй – при проецировании в кору (справа). Рисунок любезно предоставлен Институтом Кахаля: архивы Рамон-и-Кахаля, Высший совет по научным исследованиям (CSIC), Мадрид, Испания.

«Потому что Рамон-и-Кахаль не представлял молекулярной сложности пути», – комментирует Чарли Грир. Как считает его коллега Цзоу Донцзин из лаборатории Фаерштейна, в этой области многие вопросы по-прежнему остаются без ответа, когда речь заходит о деталях работы системы: «Например, сколько митральных клеток выходит из обонятельной луковицы? Все ли они одинаковые? Есть только один главный тип или несколько типов клеток? Никто этого не изучал в деталях». Рэнди Рид соглашается: «Ответить на этот вопрос сложно. Мы знаем, что не все они одинаковые. Но мы не знаем, почему они не одинаковые».

Самая большая загадка обонятельного мозга в том, что он создает сложную топографическую карту обонятельных сигналов, чтобы немедленно отказаться от нее сразу после первой синаптической передачи. «Вот есть удивительная карта, – комментирует Ричард Аксель. – Это одна из самых красивых карт мозга. Она прекрасна концептуально и очень хороша эстетически». Но кора немедленно о ней забывает. Обонятельные сигналы в грушевидной коре тщательнейшим образом перемешиваются, и их пространственное распределение в значительной степени случайно (см. глава 8). «И вот эта прекрасная и тщательно организованная в луковице структура ни с того ни с сего фактически отбрасывается».

Обонятельная луковица представляет собой загадку – одну из тех, которые не разгадать немедленно: ее пространственная организация далеко не очевидна по двум причинам. Первая: карта запаха в луковице не играет никакой роли при дальнейшей обработке обонятельных сигналов и их превращении в образ запаха. Обонятельная кора отличается от других отделов первичной сенсорной коры отсутствием топографической организации, ставшей парадигмой для нейробиологов, изучающих системы чувств. Вторая причина касается карты запаха в самой луковице. Что на ней отражено? И насколько справедливо предположение, что пространственная организация луковицы вообще является картой? Топография луковицы базируется на гораздо менее прочных основаниях, чем считалось ранее.

Обманчивая простота

Вероятно, обонятельная луковица – наиболее подробно изученная нейронная структура обонятельной системы. Но аналогично тому, как в последнее время вновь возник интерес к изучению сетчатки глаза, недавние исследования луковицы поставили под сомнение старые идеи о ее структуре и функции.

Пересмотр традиционных взглядов начинается с размера луковицы: издавна было принято считать, что размер этой структуры уменьшился у высших млекопитающих, особенно у человека. В процессе эволюции, по мнению известного психолога Стивена Пинкера, обонятельная луковица «съежилась до трети от ожидаемого размера у приматов (уже небольшого по стандарту млекопитающих)»[304]. Это мнение остается широко распространенным, однако не выдерживает проверки. В недавней статье в журнале Science нейробиолог Джон МакГанн из Ратгерского университета заявил, что обонятельная луковица человека не так уж мала[305]. МакГанн задался вопросом: «Что мы понимаем под размером в первую очередь? Имеем ли мы в виду пропорциональное соотношение, межвидовое сравнение или плотность нейронов? Существует много способов оценки связи между структурой и функцией!»

Размер, как и любая мера, зависит от шкалы. Объем человеческой обонятельной луковицы невелик. Однако по количеству нейронов луковицы человека и других животных сравнимы. Кроме того, можно сказать, что у человека не луковица съежилась, а увеличился мозг. Чарлз Ф. Стивенс из Института Солка проанализировал масштабы нейронных микросетей и указал на сохранность обонятельных нейронных структур в целом у разных видов[306]. Другие ученые считают, что обонятельная луковица представляет собой заметное исключение из общего правила для относительных размеров мозговых структур, так что размер луковицы непредсказуем и не зависит от размера мозга[307]. Причины этого по-прежнему неизвестны.

Все это показывает, что на пути исследования связи структуры и функции тоже есть сложности. Как же приступить к изучению функции луковицы? Нужно ли создавать модель функционирования луковицы и ее рецептивных полей по аналогии со зрительной системой, как для сетчатки, таламуса и первичной сенсорной коры? Мнения по этому вопросу расходятся. Ранее Рамон-и-Кахаль и позднее Гордон Шеферд сравнивали луковицу с сетчаткой. Нейробиолог Лесли Кей из Чикагского университета комментирует: «Аргументация Гордона основана на дендро-дендрическом[308] синапсе». (Мы скоро об этом поговорим.) Напротив, в дружеском споре Кей объясняет: «Мы с Мюрреем Шерманом в 2007 году написали статью, где сравнили нейронные сети обонятельной луковицы и таламуса»[309]. В статье говорилось, что нейроны этих структур имеют одинаковые связи и одинаковые свойства. Кей надеется, что ученые, занимающиеся таламусом, заинтересуются тем, что обнаружили в обонятельной луковице, в ее нейронных сетях. «Мы в большей степени, чем те, кто занимается таламусом, можем предсказать, что изменит систему и каким образом».

Без понимания механизма обработки информации соотношение структуры и функции остается недоопределенным. Возможно, такой механизм не требует топографической организации. Пространственная активность луковицы должна отражать вычислительные принципы этого механизма и связь с другими данными.

Основные элементы анатомии луковицы были открыты в конце XIX века: в 1875 году Камилло Гольджи опубликовал морфологическое описание клеток обонятельной луковицы собаки[310]. Опробовав новый метод окрашивания серебром, Гольджи представил элегантное изображение луковицы – первый полностью прокрашенный образец целого отдела мозга. На Рис. 7.2 представлено описание луковицы, сделанное Гольджи в мельчайших подробностях. Немедленно обращают на себя внимание многочисленные слои луковицы. Это область, «густозаселенная» клетками разных типов. Сначала идет гломерулярный слой (А на рисунке Гольджи), где заканчиваются все обонятельные нервы из эпителия. Ближе к митральным клеткам располагаются более мелкие пучковые клетки, которые получают обонятельные сигналы через свои дендриты, проникающие в клубочки, и отправляют далее в кору (слой B).

Но прежде чем эти сигналы отправляются в кору, они подвергаются локальной обработке в луковице. Так что в луковице мы уже не имеем дела с исходной картой рецепторной активности. Локальная обработка заключается в латеральном ингибировании, подразумевающем, что возбужденные клетки могут подавлять соседние клетки (понижать их активность). Это полезное свойство для любой системы, в которой бывает необходимо предотвращать неконтролируемую активацию. В результате за счет отделения активных клеток от неактивных или менее активных отображение сигнала на уровне нейронов уточняется. Такой же механизм реализуется в системе зрения и в других сенсорных системах.

РИС. 7.2. Окрашивание обонятельной луковицы собаки, выполненное Гольджи и отражающее наличие в луковице разных слоев. Мы видим (A) гломерулярный слой со сферическими структурами нейронов; (B) слой крупных митральных клеток с пучками дендритов, включая горизонтально расположенные клетки, которые теперь называют пучковыми клетками; (C) толстый гранулярный слой, простирающийся до коры. Источник: C. Golgi, Sulla fina struttura del bulbi olfattorii, Rivista sperimentale di freniatria e medicina legale 1 (1875): 405–425; репринт (Reggio-Emilia: Printer Stefano Calderini 1985).

На первый взгляд происходящее в луковице напоминает происходящее в сетчатке. За латеральное ингибирование в луковице отвечают нейроны особого типа – гранулярные клетки (слой С). В отличие от типичных нейронов, у гранулярных клеток отсутствуют аксоны. У них есть лишь тело (сома) и дендриты (как у амакриновых клеток сетчатки; см. глава 2). Эти дендриты перекрывают расстояние между митральными клетками, чтобы координировать их активность. Гранулярные клетки мелкие, но их много; каждая митральная клетка окружена примерно сотней гранулярных клеток. Гранулярные и митральные клетки формируют петли, которые Шеферд назвал «микросетями»: митральные клетки возбуждают гранулярные клетки, которые, в свою очередь, подавляют митральные клетки. Эта последовательная самоподавляющаяся активность в луковице происходит за счет дендро-дендрических взаимодействий, без участия аксонов.

Непосредственно после первого синапса происходит много событий. Как будто луковица живет в своем ритме, не подчиняясь потоку информации, посылаемой рецепторами. Теперь интересно рассмотреть микросети, поскольку они определяют как пространственные картины активации, так и временные последовательности в передаче сигналов в луковице.

Рассматривая структуру луковицы в подробностях, мы обнаруживаем несколько типов клеток разной формы, размера и назначения. В частности, «оболочка» клубочков состоит из юкстагломерулярных клеток (небольших вставочных нейронов, являющихся главным узлом сообщения между чувствительными или двигательными нейронами и центральной нервной системой). Кроме «первой сети» митральных и пучковых клеток, мы обнаруживаем целый зверинец вставочных нейронов в разных клеточных слоях луковицы, включая перигломерулярные клетки (PG), внешние пучковые клетки (ET) и клетки с короткими аксонами (SA). Эти клетки из разных микросетей участвуют в передаче сигналов внутри клубочков и между клубочками. Изучение вставочных нейронов луковицы продолжает преподносить сюрпризы (так недавно было установлено, что клетки с короткими аксонами, возможно, являются первым типом вставочных нейронов, сообщающихся с уровнем клеток, принимающих входной сигнал)[311].

Как понимание структуры микросетей связано с функциональным устройством луковицы и проблемой преобразования стимула? Эти подробности важны для понимания того, как информация от рецепторов «тормозится», «встраивается», «синхронизируется» и «усиливается» в разных структурах клеточных слоев луковицы (что выясняется благодаря тщательному изучению микросетей луковицы в исследованиях Майкла Шипли, Захари Мейнена, Берта Закмана, Гари Вестбрука, Бена Стоубриджа, Джеффри Исааксона, Томаса Клеланда, Марка Ваховяка, Натана Урбана, Гордона Шеферда, Чарлза Гира и других ученых). Иными словами, какая информация, поступающая от рецепторов, отображается в активности луковицы? Как взаимодействуют одновременно активированные клубочки (и связано ли их перекрестное действие с топографией)? Определяется ли пространственный рисунок активности луковицы в большей степени входящим стимулом или процессами параллельных вычислений (такими как ингибирование или нисходящие сигналы), так что одна и та же молекула запаха в разных условиях может вызывать разные картины активации?

Представьте, что вы используете смесь одорантов A и B. Вне зависимости от эффектов подавления сигнала на уровне рецепторов, следующий вопрос в том, подвергается ли сигнал смеси A+B, разбитый на несколько отдельных сигналов на уровне рецепторов, линейной или нелинейной рекомбинации. На Рис. 7.3 изображен гипотетический сценарий. Давайте предположим, что в индивидуальном виде одорант A активирует специфическую группу клубочков {G1—G8}. Так же действует одорант B, который, как и одорант A, активирует клубочек G1 {G1; G9—G13}. При смешивании одорантов картина их действий может быть либо аддитивной {G1—G13}, либо селективной, например, {G1; G6; G9; G10; G13}. Оба варианта возможны, и результат будет зависеть от таких факторов, как ингибирование или слабость некоторых сигналов, не способных преодолеть пороговое значение.

РИС. 7.3. Два возможных механизма интеграции стимула при обработке сигнала смеси в обонятельной луковице. Смеси могут быть представлены либо линейным сложением активности клубочков (справа вверху), либо селективным сочетанием их активности (за счет механизма ингибирования) (справа внизу). Источник: P. Duchamp-Viret et al., Olfactory Perception and Integration, in Flavor: From Food to Behaviors, Wellbeing and Health, ed. P. Etrévant et al., Series in Food Science, Technology and Nutrition (Cambridge, UK: Woodhead, 2016) © 2016 Elsevier Ltd.

Однако картина активности луковицы – это еще не все данные, которые можно извлечь из анализа основных механизмов ее выражения.

Расщепляем луковицу

Замечательная способность луковицы – превращать активность рецепторов эпителия, кажущуюся разрозненной и случайной, в пространственно организованные кластеры, как отпечатки пальца, только «отпечатки мозга» для каждого запаха. Остановимся на этом на минуту. После комбинаторного хаоса на уровне рецепторов луковица выглядит как точная карта для каждого запаха – прямой путь от активности рецепторов к нейронному представлению. В научной литературе эту организацию принято называть картой стимулов, по аналогии со зрительной системой. Химические свойства стимулов отражаются на карте в виде картин пространственно определенной активности нейронов. Теоретически разные картины активности должны соответствовать разным свойствам стимулов. Является ли луковица такой картой, отображающей молекулы запаха или химию запаха? К сожалению, все не так просто.

На карте мы пытаемся обнаружить либо упорядоченное представление некоторых физических свойств внешней среды, либо некий результат их вычисления. Карта запахов должна отражать поступающие сигналы тем или другим образом. В случае луковицы возможны три интерпретации такой карты: ринотопичпеское (систематическое отражение расположения рецепторов), одотопическое (четкая пространственная активность, соответствующая одорантам) и хемотопическая (пространственное отражение химических свойств одорантов)[312].Но даже на интуитивном уровне непонятно, возможна ли хотя бы одна из этих интерпретаций.

В отличие от обзорной литературы, указывающей на «хемотопический» или «топографический» характер организации луковицы, у специалистов по обонянию нет установившегося мнения. «Я никогда не был в этом [в наличии карты запахов] полностью уверен, – сообщает Фаерштейн, – поскольку, честно говоря, не могу представить, как бы выглядела такая карта. Что вы нанесете на карту связи луковицы и запахов, поместите ли вы альдегиды рядом с кетонами или расположите между ними эфиры? Мы не можем ответить, поскольку пока нет рационального основания».

«Я не думаю, что карта луковицы что-то означает, – отвечает Линда Бак. Она считает, что луковица отображает пространственное расположение рецепторов. – Однако я думаю, что ее связь с восприятием или с чем-то еще весьма неопределенная. Я долгое время считала, что организация луковицы могла возникнуть косвенным путем за счет механизмов развития, которые эволюционировали таким образом, чтобы сводить нейроны с одинаковыми рецепторами к одному синапсу. Это может быть выгодно, чтобы позволять сигналам низкой интенсивности от тысяч нейронов интегрироваться в гораздо меньшее количество нейронов луковицы. Возможно, это важно для чувствительности определения запахов в низкой концентрации, но сама по себе карта ничего не означает».

Бывший постдокторант Фаерштейна Мэтт Роджерс из компании Firmenich играет роль адвоката дьявола: «Я думаю, в луковице реализуется хемотопическая карта. Но, возвращаясь к точке зрения Стюарта, мы возвращаемся и к вопросу, в чем ее назначение. Видите ли, я учился у Стюарта, я выпил почти весь его запас Кул-Эйда[313], – смеется Роджерс. – Я думаю, что мы перестали верить в функциональное содержание хемотопической карты по той причине, что мы еще не видели ее в чистом виде». И проясняет: «Я называю это хемотопической картой, поскольку читал статьи и это осталось в моей голове в качестве способа описания. Но я полностью согласен [с критикой]: я не знаю, карта ли это… Возможно, это не карта. Но если не карта, то что?»

«Я думаю, это вопрос семантики, – включается Чарли Грир. – Нет сомнений, что аксоны от сенсорных нейронов с одним и тем же рецептором запаха сливаются в клубочках и располагаются как минимум по соседству в обонятельной луковице. Я воздержусь от того, чтобы называть это топографической картой, но в этом есть некая специфичность».

Есть несколько причин, чтобы отбросить идею о карте запаха во всех трех интерпретациях. Вопрос о хемотопии уже рассматривался в главе 6, где было показано, что механизмы действия рецепторов не являются отражением химической топологии. Однако принципы связывания сигналов с рецепторами в эпителии отличаются от механизмов, определяющих организацию клубочков в луковице. Может ли быть, что строение луковицы коррелирует с химической топологией молекул запаха? Ответ на этот вопрос тоже отрицательный. Многомерные стимулы и даже часть их свойств нельзя отразить на плоской поверхности луковицы[314]. Это относится как к млекопитающим, так и к насекомым. Результаты исследования насекомых были совершенно однозначны на этот счет[315].Не существует определенного пространственного расположения химических признаков, типа «альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там». В активности клубочков есть химическая специфичность, но это не хемотопия[316].

А что можно сказать о ринотопии (по аналогии с ретинотопией в зрительной системе)? Хотя в луковице выявлены некие неопределенные генетические зоны, ее организация совершенно не сопоставляется с топографией зрительной системы. Особое свойство ретинотопии зрительной системы в том, что соседние клетки имеют похожие рецептивные поля. И это на самом деле ключ ко всей ее репрезентативной организации (см. глава 2). На первый взгляд может показаться, что это справедливо и для луковицы. Кажется, что каждая молекула запаха имеет «отпечаток пальца» – специфическую характеристику активности. Кроме того, клубочки, активируемые конкретными стимулами, по-видимому, собраны в кластеры. Однако если смотреть внимательнее, выясняется, что соседние клубочки схожи в своих реакциях не больше, чем отдаленные, особенно при исследовании разных запахов, а не нескольких похожих классов[317]. В частности Джон Карлсон из Йельского университета показал на мухах, насколько разнообразны локальные ответы гломерулярных кластеров[318]. К тому же активация гломерулярных кластеров похожими запахами не «непрерывная», она происходит с «пробелами»[319].

Не исключено, что правильный ответ – одотопия. Эта версия кажется наиболее обоснованной. Если отдельные молекулы запахов имеют «отпечатки пальцев» в луковице и существует хоть какое-то перекрывание в ответах кластеров клубочков на похожие запахи, тогда пространственная активность луковицы может быть организована не по принципу соседства, но представлять собой грубую, распределенную, но все же дискретную карту характерного образа. Этого мнения придерживается Шеферд, а также Венкатеш Мерти из Гарварда[320]. Такая карта была бы функциональной. Однако данная модель имеет одно критическое условие. Чтобы такую картину считать функциональной картой, она должна быть стереотипной, то есть общей для представителей вида или даже представителей разных видов.

Стереотип функциональности подразумевает, что картина может быть случайной (не имеет значения, какой сигнал где отражается), но должна быть воспроизводимой (определенный сигнал точно или почти точно проявляется в этой точке во всех случаях). Иными словами, функциональность встроена в систему, она представляет инвариантное пространственное отражение вычислительных принципов, включая латеральное ингибирование. Так как же луковица узнает, где разместить клубочки? В конечном счете, стереотипная организация должна быть генетически предопределенной.

Органические системы часто имеют структуры, которые не обязательно связаны с конкретной функцией, но просто отражают ход развития. Может быть, это справедливо и для обонятельной луковицы? Тем или иным образом сигнальная активность клубочков связана с молекулярными особенностями одорантов, и луковица представляет собой нечто вроде рецептивного поля обонятельной системы. Несмотря на это, луковица в первую очередь отражает активацию рецепторов, а не химию стимулов. Томас Хеттингер соглашается: «Это не карта запахов. Это карта рецепторов». Очень важное уточнение, означающее, что строение луковицы определяется генетикой рецепторов. Дальнейший анализ того, как развивались исследования карты 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 и регистрируем вашу реакцию на два вещества, мы увидим в двух случаях заметно различающиеся картины активации нейронов.

«Так родилась идея, что клубочки представляют собой функциональные единицы, – заключает Фаерштейн. – Имеется в виду, что каждый клубочек занимается определенным набором запахов и упорядочивает свойства запахов, создавая некую пространственную организацию».

Внимание в исследованиях обоняния начало смещаться от поведения рецепторов к обработке сигнала в центральной нервной системе. «Наконец-то! – комментировал Шеферд. – Теперь у нас достаточно работающих лабораторий, так что мы можем сравнивать результаты и конкурировать».

И начались поиски нейронного кода в основе хемотопической карты. Идея хемотопии распространилась повсеместно. Фаерштейн вспоминает: «Это привело к взрывному росту статей об обонятельной луковице и о пространственной картине активации как отражении химических свойств. На основании данного открытия некоторые решили, что это имеет смысл, поскольку теперь можно вообразить некую карту – отражение свойств запаха (то есть рецепторов, с которыми связывается запах) на структуре в центральной нервной системе. Несколько человек, в частности Кенсаку Мори в Японии, буквально ухватились за эту идею»[324].

Лесли Воссхолл отвечает: «Представление об обонятельных клубочках было очень важным. Некоторые из тех, кто проводил ранние исследования на насекомых, отмечали, что в этом был анатомический организационный принцип. К примеру, мотылек. У самцов мотыльков есть гигантское количество периферийных сенсорных клеток, необходимых для того, чтобы учуять самку: весь этот набор клеток в антеннах самцов нужен только для обнаружения самок. Если вы проследите за этими клетками до мозга, вы обнаружите огромное число клубочков, необходимых для обнаружения самки. Ученые наблюдали за обонятельной активностью в луковице, где возникают разные картины возбуждения клубочков в зависимости от интенсивности запаха, его концентрации или примесей».

Специфические картины активации луковицы были обнаружены последовательно для разных одорантов[325]. Это указывало на существование «разных картин для разных запахов», как выразился Шеферд. «Это была невероятно важная серия открытий, сделанных во многих лабораториях, – добавляет Воссхолл. – Важным было то, что на двумерной картине были также закодированы концентрация и каким-то непонятным образом свойства запаха. В некоторых ранних и упрощенных работах говорилось, что с увеличением длины углеродной цепи вы получаете более упорядоченную картину активности во всем наборе клубочков и в обонятельной луковице. Вероятно, это не так. Совершенно точно, что у насекомых нет очевидного организационного принципа, и мне все больше кажется, что [это относится] и к обонятельной луковице позвоночных. Система работает не так. Она гораздо более абстрактна».

Исследования луковицы затормозились. Концепция хемотопии осталась неопределенной. Фаерштейн резюмирует: «Пока мы искали пространственную карту, основанную на химии – типа альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там, – мы не могли найти такую [карту]».

Поиски карты затмили более глубокий вопрос: что насчет объяснения? О функции луковицы можно сказать лишь одно: активность клубочков создает картины. И, как любые картины, по мнению Шеферда, они не содержат внутренней логики: «Распознавание образов – это фактически самостоятельная дисциплина!» Так или иначе, для карты луковицы нужно было создать модифицированную, основанную на рецепторах модель. Однако рецепторы следовали собственной логике.

Стереотипное отражение

Если чувствительные нейроны обонятельной системы действуют как проводники, переносящие сигналы от рецепторов к мозгу, легче понять разнообразие генов рецепторов. А что же приводит эти проводники в движение? Главный инженерный принцип строения луковицы в том, что сенсорные нейроны с одними и теми же генами рецепторов сливаются в клубочках. Возможно, это уникальное свойство обоняния. Грир подчеркивает: «Каждая такая клетка следует совершенно индивидуальным путем в зависимости от своего начала в эпителии. Это не так для всех других сенсорных систем в мозге». Фаерштейн подтверждает: «Я не слышал, чтобы это повторялось где-то еще, в какой-то другой системе, где такого типа рецепторы, сопряженные с G-белком, действительно определяли бы направление продвижения аксонов, по крайней мере, напрямую».

Он объясняет: «То, что рецепторы имеют отношение к тому, как аксоны [чувствительных нейронов] попадают в луковицу – одно из важнейших открытий, поскольку никогда раньше не было показано, что рецепторы, сопряженные с G-белком, связаны с направлением или локализацией аксонов. А теперь мы знаем, что эти рецепторы делают две вещи! Прежде всего, это удивительный класс рецепторов. Это гигантское семейство экспрессируется в эпителии. Кроме того, то, на что реагирует рецептор, в какой-то степени определяет, куда идет аксон нейрона в луковице, что я на сегодняшний день нахожу любопытным». Реальное значение этого открытия еще предстоит установить.

Тем временем идея карты подкреплялась экспериментальными исследованиями. Основная гипотеза гласила, что расположение клубочков в луковице предопределено генетически. Фиксированная генетическая карта организации клубочков считалась ключом к организации архитектуры луковицы, поскольку определяла ее строение. Основы такого предположения достаточно логичны: топографическое представление в других сенсорных системах, таких как зрение и слух, генетически предопределено. Цзоу отмечает: «В зрительной системе картина такова. Стимуляция отображается в топографическом представлении». Постнатальный опыт может дополнительно уточнять эти сенсорные карты. Но их основная организация определяется генетически, что обеспечивает стереотипность. Как говорит Аксель, от организма к организму их топография не меняется.

Сомнения относительно стереотипности карты обонятельной луковицы появились в связи с новыми данными о генетике рецепторов. Откуда все обонятельные нейроны узнают, куда идти? Кроме того, как эти клетки находят своих генетических двойников с такими же рецепторами? «Возник вопрос, как рецепторы это делают», – говорит Фаерштейн. Мы все еще этого не знаем. Вообще говоря, это незнание не связано с тем, что у нас нет общей теории слияния аксонов. Но процесс слияния аксонов обонятельной системы, по-видимому, происходит по другому механизму. «Хорошо, это рецептор запаха, – комментирует Грир. – Очевидно, что рецепторы запахов соответствуют друг другу. Но никто еще не смог показать, что рецепторы запаха отвечают за слияние аксонов и как они опосредуют этот процесс».

Как обычно нейроны находят свои мишени? Общее объяснение включает в себя продвижение аксона при развитии нервной клетки. В процессе роста аксоны находят свое место по цепочке химических градиентов. Такое перемещение аксонов стереотипно, то есть генетически предопределенно. Преимущество этого механизма в том, что он в значительной степени обеспечивает воспроизводимую «схему сборки» (шаблон с определенными морфологическими характеристиками тела). Фаерштейн приводит в качестве примера двигательную систему, в которой нервы, отходящие от спинного мозга, соединяются с определенными мышечными тканями. Откуда двигательные нейроны знают, к каким мышцам идти? Они растут в соответствии с химическим градиентом, который их привлекает, а после слияния в пучки направляет в специфические участки тела. «Смысл в том, что есть градиент какого-то химического вещества, от низкой концентрации до высокой, и аксоны имеют рецептор, который чувствует этот химический аттрактант».

Логично предположить, что аксоны обонятельных нейронов делают то же самое, протягиваясь по предопределенному химическому следу до своих клубочков. Соответственно, каждый рецепторный нейрон должен расти по заранее обозначенной траектории от эпителия к луковице. Скажем, нейрон с рецептором R1 направляется к конкретному месту в луковице – к клубочку {GR1}. Другой нейрон с рецептором R2 направляется к клубочку {GR2} и так далее. Однако серия экспериментов поставила под сомнение справедливость такой гипотезы. Несколько нестыковок, и идея об общей предопределенности строения луковицы распалась.

Первый удар по идее о стереотипном строении луковицы был нанесен в ходе еще одного эксперимента Момбертса[326]. Казалось бы, это был рутинный эксперимент, но результаты удивили всех. «Мне повезло, и я был там, когда они это делали, – рассказывает Фаерштейн. – Большая часть работы, которую мы здесь осуществили, была связана со схемой проведения сигнала в целом. Не со схемой проведения сигнала в луковице, а с тем, как весь эпителий подключен к луковице. Почему все аксоны с одинаковым рецептором собираются в пучок в клубочке? Считалось общепринятым, что так или иначе эти рецепторы находили что-то, что помогало их аксонам прокладывать путь к конкретным клубочкам». Но, как подчеркивает Фаерштейн, «Питер показал, что это, по-видимому, не так».

Эксперимент Момбертса следовал простому плану: выбрать один потенциально важный фактор, выделить его и изменить. А затем посмотреть на результат.

В лаборатории Момбертса генно-инженерным способом произвели три типа мышей с зелеными флуоресцентными белками (GFP, Green fluorescent protein), присоединенными к специфическим генам рецепторов. Флуоресцентные белки позволяют ученым наблюдать за ходом развития аксона. У одной популяции мышей белок GFP был соединен с геном рецептора I7, у другой – с геном M20, а у третьей ген M20 был заменен на ген I7 и связан с GFP. Куда направятся модифицированные нейроны, в которых ген M20 заменен геном I7?

«Следовало предположить, что они направятся к клубочку I7, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку мы знаем, что идея состояла в том, чтобы доказать ключевую роль рецептора в подведении аксона к правильному клубочку. А единственное, что изменили – это рецептор». Вопреки ожиданиям, нейроны не пришли к клубочку I7. В таком случае они направились к клубочку M20? «Тоже нет! – восклицает Фаерштейн. – Выяснилось, что [модифицированные нейроны] формируют клубочки тут, или здесь, или там. – Фаерштейн случайным образом расставляет точки на рисунке луковицы. – Вообще непонятно, какие тут закономерности!»

Это был первый удар по идее о стереотипном строении луковицы. Вскоре последовал второй. Что произойдет, если заменить ген рецептора запаха геном, кодирующим необонятельный рецептор, например, геном рецептора из того же белкового семейства (генетически родственного)? «Это был последний гвоздь в крышку гроба, – комментирует Фаерштейн. – Результат, о котором почти не говорят, был получен Полом Фейнштейном»[327]. Фейнштейн, бывший постдокторант из лаборатории Момбертса, заменил ген рецептора запаха I7 геном β2-адренэргического рецептора. К семейству β2-адренэргических рецепторов относятся рецепторы адреналина; они тоже принадлежат к надсемейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs), и поэтому достаточно похожи на обонятельные рецепторы по топологии и структуре. Все GPCRs имеют семь трансмембранных спиралей и обладают заметным сходством аминокислотных последовательностей. Однако их функции совсем разные. Адреналиновые рецепторы регулируют активность симпатической нервной системы. Обонятельные рецепторы связывают молекулы запаха.

Модифицированным нейронам Фейнштейна идти было некуда. Как поясняет Фаерштейн, у них «больше не было рецептора запаха, который привел бы их куда-нибудь. На свете не могло существовать мыши с β2-адренэргическим клубочком, поджидающим свои аксоны, не говоря уже об аксонах клеток с β2-адренэргическим рецептором». И вновь все были удивлены. Все нейроны с геном рецептора адреналина соединились в одном клубочке луковицы, как все другие нейроны с генами рецепторов запаха. «Это окончательно показывает, что карты не существует, – уточняет Фаерштейн. – На поверхности луковицы нет предопределенной карты, определяющей, куда должны прийти эти аксоны. Если и есть какая-то карта, она индуцированная. Она вызвана аксонами самих клеток».

Второй удар. В этих двух экспериментах с заменой генов рецепторов одорантов другими генами обонятельных рецепторов или других GPCRs были созданы аксоны, для которых не нашлось места на генетически предопределенной карте. Что происходит, если вы полностью удаляете гены рецепторов у каких-то нейронов? Их аксоны должны направляться куда-то в луковицу, но без проводника. «Они не образуют клубочки, – отвечает Фаерштейн. – Они просто куда-то идут». Не говорит ли это о наличии генетически предопределенной карты связей? «Первая интерпретация была такой: поглядите, [чувствительные нейроны] не могут дойти до цели, поскольку у них больше нет рецептора. Они просто идут куда-то. Они не знают, что им делать». Но вскоре эта интерпретация отпала. Выяснилось, что нельзя отключить ген обонятельного рецептора. Когда вы отключаете один, нейрон быстро начинает экспрессировать вместо него ген другого рецептора (чувствительные нейроны имеют набор генов для замены, и из этого набора выбор осуществляется случайным образом).

«Интересно, – продолжает Фаерштейн, – что эти аксоны не выходят за пределы луковицы. Они остаются в луковице». Таким образом, если клетка не экспрессирует ген одного рецептора, она подбирает какой-то другой. И это не полностью случайный выбор. Клетка обзаводится не любым рецептором из всего диапазона (из тысячи рецепторов у мыши), но одним из ограниченного круга. «Это некая группа рецепторов, которые каким-то образом контролируются совместно. И следовательно, все [нейроны] идут в одну и ту же точку в луковице. Но в какое конкретно место, им безразлично. Этот эксперимент нужно было провести несколько лет назад, отключая разные рецепторы и наблюдая, сколько в луковице таких участков». Казалось, что в экспериментах с отключением генов аксоны движутся хаотично, но на самом деле нейроны управляются несколькими генами.

Третий удар.

Эта серия экспериментов с заменой генов препятствовала принятию идеи о стереотипной организации луковицы. Не существует заранее предустановленного расположения точек, к которым должны прийти аксоны чувствительных нейронов. «Проблема с идеей карты в том, что никакой заранее предопределенной карты на поверхности луковицы нет, – подтверждает Фаерштейн. – И это особенность обонятельной системы, насколько мы можем утверждать на настоящий момент. Это не так для всех остальных сенсорных систем». Очевидно, что важнейшую роль играет генетика рецепторов. Менее очевидно, какой механизм движет развитием аксонов. «Является ли образование [карты] результатом того, как располагаются аксоны? Я имею в виду, что какая-то карта образуется, но функциональна ли она? – Фаерштейн выдерживает паузу. – Я этого не знаю».

Карта как артефакт развития

«Может быть, это просто карта развития, – предполагает Фаерштейн. – Это лишь простейший путь для развития [обонятельной луковицы]». Аксоны притягиваются друг к другу под влиянием рецепторов. Эта гипотеза, как замечает Фаерштейн, «впервые возникла в лаборатории Питера Момбертса, и мы тоже ею воспользовались. Она в какой-то степени стала результатом общения между нашими лабораториями, а также взаимодействия с Чарли Гриром». Итоговая гипотеза такова, что «на поверхности обонятельной луковицы нет заранее сформированных клубочков. Но клетки притягиваются друг к другу. Они образуют пучки и затем движутся дальше, а когда достигают свободного участка в луковице, закрепляются там и начинают формировать клубочек. А затем вокруг них формируется все остальное, превращаясь в клубочки, все другие клетки, которые участвуют в создании клубочков».

Фаерштейн и Цзоу проверили эту гипотезу[328]. Наблюдая за развитием мозга совсем молодых мышей, они увидели разные стадии созревания луковицы. Эти стадии развития не соответствовали модели стереотипного расположения клубочков. Скорее выяснилось, что пространственное расположение клубочков основано на сенсорном опыте, полученном в процессе созревания.

Следует обратить особое внимание на два открытия, сделанные в ходе этих исследований. Во-первых, у молодых животных клубочки не всегда гомогенны. На ранних этапах развития формируются гетерогенные кластеры, то есть эти ранние клубочки состоят из нейронов с разными рецепторами. Во-вторых, аксоны не просто вместе удлиняются, останавливаются и сливаются в клубочки, как предполагалось ранее. Сначала аксоны распределяются по разным местам. А затем клубочки выравниваются, и их активность уточняется.

Как объясняет Цзоу, недостаток ранних исследований луковицы в том, что в них чаще наблюдали за взрослыми животными: «Предыдущая работа показала, что на самых ранних стадиях развития очень мало клубочков, может быть, всего несколько сотен. Позднее это количество увеличивается примерно до двух тысяч с каждой стороны луковицы. То есть происходит постоянное добавление клубочков». Однако сам Цзоу видит иначе: «По моему мнению, образование клубочков идет непрерывно. Не все задано раз и навсегда. Скорее, это динамический процесс. Не все зафиксировано с самого начала». Цзоу отмечает, что, вопреки устоявшемуся мнению, у очень молодых животных может быть больше, а не меньше клубочков, чем у более взрослых. «Я был сильно удивлен. В то время люди думали, что если вы видите два клубочка [вместо одного], это просто помехи. Так что поначалу я счел, что… что-то получилось неправильно. Окрашивание прошло неверно. Но потом я наблюдал это вновь и вновь. И я подумал, что так оно и есть».

Нет химического притяжения. Нет гомогенности в формировании клубочков. Несколько клубочков в одном месте. Все эти наблюдения вкупе подрывали идею о заранее заданной сенсорной топографии. Однако эти удивительные данные из области развития не вызвали общего интереса у ученых, занимающихся обонянием, поскольку они переключились на создание компьютерных моделей кодирования запахов. Как следствие, неадекватные представления о стереотипном строении луковицы и о хемотопии в значительной степени продолжают влиять на современные исследования луковицы.

Отсутствие интереса к механизмам развития можно объяснить двумя причинами. Во-первых, большинство исследований луковицы проводятся на мозге взрослых мышей. Безусловно, строение зрелой луковицы выглядит стереотипно; корреляция между структурой и функцией здесь очевидна. Зрелая луковица выглядит так, как если бы аксоны двигались напрямую к генетически предопределенным точкам. Как если бы, по словам Фаерштейна, «существовало химическое вещество, привлекающее аксоны». Во-вторых, Грир обращает внимание на пренебрежительное отношение к исследованиям в сфере биологии развития в целом: «Исторически так сложилось, что немногие ученые следили за развитием [системы]». В результате предположение о стереотипной организации луковицы редко ставится под сомнение. Цзоу соглашается: «Во многих случаях люди, которые выполняли большую часть генетических манипуляций, не имели нейробиологического образования. И поэтому их не очень интересовали вопросы развития». Одной из серьезнейших проблем исследований обоняния всегда была междисциплинарная раздробленность.

Чтобы понимать функционирование луковицы, чрезвычайно важно учитывать процесс развития, поскольку он определяет активность нейронов. Вопрос о том, какие элементы сенсорной системы заранее заданы, а какие развиваются по мере накопления опыта, занимал важное место и при изучении зрительной системы. В системе обоняния формирование клубочков полностью зависит от генетики рецепторов и механизмов развития. Цзоу подтверждает: «Только если вы вникнете в детали, вы поймете, что обонятельная система довольно сильно отличается от остальных».

Понятно, что развитие луковицы происходит с вариациями. Но окончательная структура, по-видимому, характеризуется постоянным расположением клубочков и воспроизводимой картиной активации запахами. Нет ли в луковице устойчивых картин, неких «отпечатков пальцев» для каждой молекулы одоранта даже у разных представителей вида?

Тщательный анализ показывает, что ни локализация, ни функциональная активность в зрелой луковице изначально не стереотипные. «Если посмотреть внимательно, – рассказывает Фаерштейн, – клубочки не всегда оказываются на одном и том же месте. Они могут быть сдвинуты на пять или восемь диаметров, но находятся в одной и той же части луковицы»[329]. Это противоречит данным обзорной литературы, где луковицу обычно называют «стереотипной», «константной», «топографически заданной», «топографически определенной», «топографически стереотипной», «расположенной стандартным образом», «имеющей точный стереотип», «инвариантной», «пространственно инвариантной», «заданной» или «почти неизменной»[330].

В 2015 году Момбертс вновь затронул эту тему, спросив: «Насколько точно это точное расположение?»[331]. Удивительно, но этот вопрос не вызвал большого интереса. В лаборатории Момбертса было обнаружено, что ответ определяется клубочками. Вариабельность расположения клубочков оказалась значительнее, чем было принято считать. Кроме того, проверив шесть типов клубочков, исследователи установили, что вариации неравномерны. Расположение одних клубочков изменчиво в большей степени, чем других. Один из способов понять это – посмотреть, связаны ли как-то изменения в расположении клубочков с общим диапазоном настройки разных рецепторов, экспрессируемых в сенсорных нейронах. Изучение генетики рецепторов уничтожает идею о существовании общего пространственного плана луковицы.

Грир быстро обнаружил еще одну проблему в объяснении кодирования запахов стандартным путем – через гетерогенную активность луковицы. Электрофизиологические исследования зрелой луковицы выявляют заметную вариабельность активации локальных сетей (о которых мы подробно говорили выше). «Если вы посмотрите на любой конкретный клубочек, в нем находится примерно от восьми до двенадцати митральных клеток. И они активируются по-разному. Вы действуете запахом и регистрируете активность двух митральных клеток из одного клубочка. Одна может реагировать, а другая нет. Или временная картина ответа может быть разной».

Электрофизиологические исследования сетей выявляют в луковице значительно более неоднородную картину активности, чем окрашивание и нейровизуализация клубочков. Среди факторов, серьезно влияющих на вариабельность реакции, особенно выделяются два.

Во-первых, активность луковицы у бодрствующих животных и у животных под наркозом разная. Кроме очевидного различия в том, как животные нюхают, под наркозом отсутствует афферентная[332] обратная связь и нисходящие факторы, такие как внимание, мотивация и предшествующий опыт. Следовательно, такие исследования основаны на искусственных моделях линейной сенсорной обработки сигналов от низших сенсорных областей к высшим. Но нельзя пренебрегать глубоким влиянием предыдущего опыта на активность клубочков луковицы. Натали Буонвизо с коллегами показала, что клетки крысы, долгое время (20 минут) находящейся под воздействием запаха, демонстрируют более низкую активность через 24 часа[333]. Кроме того, активность нетренированных крыс менялась ежедневно, как и мотивирующие факторы[334]. Иными словами, активность нейронов определяется опытом, тренировкой, мотивацией и другими факторами, влияющими на принятие решений (о последствиях этого для восприятия мы поговорим в главе 9).

Второй фактор касается расхождения результатов для одной клетки и для популяций клеток. Регистрация активности отдельных клеток, часто у животных под наркозом, не может быть достаточным основанием для функциональной характеристики кодирования запаха. Популяционное кодирование может играть более важную роль (см. глава 8). Итог экскурса в электрофизиологию таков, что мы еще далеки от понимания луковицы, особенно от понимания ее топографической активности.

Кроме того, похоже, относительная стабильность и инвариантность организации и активации клубочков не встречаются у генетически разнообразных организмов и видов (или представителей одного вида), чей мозг сформировался под влиянием широкого опыта, в отличие от мозга строго контролируемых лабораторных мышей. Идея о карте луковицы, возможно, подкрепляется экспериментальными артефактами, связанными с методологией экспериментов или лабораторными стандартами.

В частности, наше понимание обонятельной системы строится на изучении генетически гомогенных модельных организмов, таких как мыши, крысы и дрозофилы[335]. А что будет, если изучить генетически различающиеся организмы, например, людей? Кристиан Марго ссылается на работу Чарли Грира[336], которая «показала, что о людях нам известно мало, поскольку часть [данных] получена при изучении трупов пожилых людей, передавших свое тело для исследований. Чарли Грир анализировал гломерулярный [материал] молодых людей и обнаружил около 5500 клубочков». Это было неожиданно. Прежние оценки строились на соотношении 2:1 (700 клубочков и 350 генов рецепторов). По данным Грира это соотношение составляет примерно 16:1! «Очевидно, это что-то совсем другое. Никто этого объяснить не может», хотя такое большое количество клубочков может говорить о надежности представления обонятельного сигнала.

Таким образом, периферия луковицы и картина ее активности менее устойчивы и инвариантны, чем нам казалось. Готового заранее плана нет, и луковица отображает активность рецепторов в соответствии с инструкциями, полученными в ходе развития. Фаерштейн делает вывод: «Практически все, что вы делаете с животным с точки зрения генетики и что влияет на экспрессию рецепторов, меняет организацию клубочков луковицы. Мне кажется, что гломерулярная организация луковицы чрезвычайно пластична, моделируема и неустойчива. Она не стереотипна. Она не предопределена. Она изменчива».

Отображение стимулов без карты

Проведение сигнала в луковице не предопределено, и генетика рецепторов играет важнейшую роль в образовании клубочков. То, что кажется неупорядоченным, не обязательно нефункционально. Обонятельная луковица не имеет карты запахов, понимаемой как отражение хемотопической или ринотопической организации или как некое стандартное распределение по определенным участкам, основанное на химии стимулов. В луковице не закодирована топология стимулов. И главная загадка остается без ответа: какую информацию передает эта частично структурированная и сформированная в ходе развития организация луковицы?

«Проблема в том, что мы не знаем точно, что нужно искать, – комментирует Рид. – У нас нет подходящей модели для ответа на эти вопросы. На мой взгляд, интересно, что в какой-то степени это вопросы или проблемы, которых нет в зрительной и слуховой системах. Они не связаны с такого рода проблемами. Чтобы выйти из этой ситуации, либо придется сказать, что в луковице существует некая «одотопическая» карта, что означает попытку свести систему к двум известным моделям, либо признаться, что здесь реализуется совершенно иной процесс».

По мнению Шеферда, решение в вычислительных механизмах, лежащих в основе восприятия запахов. Возможно, эти процессы не отличаются в корне от того, что происходит в зрительной системе, но используют наименее изученный механизм визуального кодирования, который отвечает за распознавание лиц. «Я думаю, что новая технология распознавания лиц имеет большое значение для точной количественной характеристики нестандартной схемы активации обонятельных клубочков – это еще один пример того, какие преимущества обоняние может получить от основных направлений науки и технологии».

Лица, как и запахи, не описываются простыми признаками, такими как форма или группы форм (иначе все мы были бы художниками). В лицах завораживает то, что мы выделяем их по индивидуальным признакам на фоне общей картины. Идея Шеферда интересна в связи с важнейшей особенностью распознавания запахов – ее индивидуальным подходом, особенно с учетом контекста. Шеферд убежден, что аналогия с распознаванием лиц поможет понять активность луковицы: «Такое предположение станет реальным с новой технологией распознавания лиц или чего-то подобного, когда они будут применены для распознавания картины активности клубочков». Возможно, вычислительная аналогия Шеферда окажется верной и без сохранения концепции топографии.

Особенность функционирования обонятельной системы «в природе» – непредсказуемость химических стимулов из окружающей среды и их взаимодействия с сенсорной системой. Томас Клеланд из департамента психологии в Корнеллском университете предположил, что луковица отображает не классы химических веществ, а химическую среду. Точнее, луковица отслеживает статистику изменений запахов в окружающей среде[337]. Возможно, активность луковицы соответствует статистике химического окружения.

Такая функциональная топология требует достаточной гибкости и пластичности сигнальной системы, а не анатомической близости (как в зрении). В частности, необходима оптимальная настройка для передачи изменчивости и частоты входных сигналов. Эта настройка основана на двух важнейших элементах обонятельной системы – генетике рецепторов и ингибировании.

Генетика рецепторов играет критическую роль в статистическом отслеживании изменений химического окружения за счет настройки диапазона рецепторов (вспомните, что она определяет сродство лигандов к рецепторам). Это может объяснять перекрывание картин активности при действии специфических одорантов. Пространственная организация луковицы отражает не топологию стимулов, а приблизительный диапазон настройки.

Ингибирование в микросетях луковицы в этом контексте служит для усиления контраста и разделения сходных стимулов. Локальная обработка обонятельных сигналов в микросетях вставочных нейронов не просто координирует и уточняет пространственные картины. Важно, что она индуцирует формирование временной картины, определяющей специфические обонятельные сигналы, и способствует их дальнейшему разделению, особенно по сравнению с запахами со схожими химическими признаками или с другими стимулами с перекрывающейся картиной активации. Поэтому в главе 8 мы поговорим о том, как принципы временного кодирования определяют распознавание и классификацию запахов.

На основании системного теоретического подхода мы теперь можем заключить, что отображение запахов на уровне нейронов определяется не химической топологией, а классами химических соединений из окружающего пространства. Терри Экри едко заметил: «Мозг – не немецкий химик!» (на что Шеферд мгновенно отреагировал: «Но мозг немецкого химика – да»). Картина на уровне нейронов отображает взаимодействие организма с внешним окружением. И указывает на необходимость моделирования этого окружения в тех условиях, в которых находится система. В результате, учитывая центральную роль рецепторов в функционировании системы, о которой мы говорили в этой главе, далее нам следует обратиться к вопросам обработки сигнала в центральной нервной системе: как мозг учится отслеживать и запоминать внешние закономерности в поведении стимулов?