Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Прорыв, обозначивший начало современной эры в исследованиях обоняния, произошел в 1991 году. Линда Бак и Ричард Аксель нашли то, что впоследствии оказалось самым крупным мультигенным семейством в геноме млекопитающих[98]. Это открытие не было случайным: Бак искала обонятельные рецепторы (ОР) на протяжении трех лет. Учитывая значительное разнообразие молекул запаха, она предполагала, что должно существовать достаточно большое семейство рецепторов, но не могла даже предположить, насколько огромным оно окажется.

Поначалу Бак обнаружила несколько разных рецепторов. И они не относились к какому-либо семейству. И в других лабораториях тоже не было положительных результатов. А три года без возможности опубликовать результаты – это долгий срок, особенно в начале научной карьеры. Но не стоит забывать о смелости Бак. Ее друг Стюарт Фаерштейн подчеркнул упорство Бак в хвалебной речи в ее адрес на лекции в Харвейском обществе:

Ричард Аксель вспоминает момент, когда Бак вошла к нему в кабинет с результатами: «Она разработала очень разумную схему, и у нее получилось. Когда она показала мне результаты, я какое-то время молчал, поскольку все это начало разворачиваться у меня в голове».

Количественным показателем важности открытия является индекс цитирования. За 30 лет, предшествовавших открытию Бак и Акселя, ключевые слова «запах» и «обонятельный рецептор» встречались в 295 научных статьях; за первые пять лет после опубликования их работы это число составило 406, а за последующие 23 года оно выросло до 4037. Исходная публикация была выбрана для серии аннотированных исследовательских работ в журнале Cell, отмечавшей фундаментальные открытия в биологии за последние 40 лет[100]. В 2004 году Бак и Аксель были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине[101]. Обоняние – второстепенное направление в истории науки – взлетело до уровня важнейших научных исследований.

Нобелевский нос

Что же такого особенного в обонятельных рецепторах? И почему их открытие заложило основы современной нейробиологии обоняния? Есть три причины, объясняющие значение этих рецепторов: их количество, способ их открытия и их экспериментальная роль, обеспечившая систематический доступ к обонятельной функции мозга.

Обширное семейство обонятельных рецепторов относится к еще более крупному семейству белков – так называемому семейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs). GPCRs – надсемейство трансмембранных белков, задействованных в целом спектре важных биологических процессов, таких как зрение, регуляция иммунного ответа и обнаружение нейромедиаторов. Теперь мы знаем, что гены белков этого семейства составляют около 10 % генома млекопитающих. Однако значение этого семейства генов стало проявляться уже в конце 1980-х годов, когда молекулярный биолог Роберт Лефковиц из Университета Дьюка сообщил, что рецепторы адреналина и родопсин[102] имеют ряд общих высокоспецифичных структурных мотивов и могут быть частью более объемного семейства рецепторов[103]. Многие ученые надеялись, что обонятельные рецепторы, такие как GPCRs, позволят сделать несколько интересных генетических открытий. Эти надежды не просто оправдались – реальность превзошла их.

Благодаря принадлежности обонятельных рецепторов к этому семейству исследование обоняния стало одним из важнейших научных направлений. Структурные и функциональные характеристики обонятельных рецепторов сделали их великолепным образцом для исследований GPCRs. Оказалось, что к этому семейству относятся примерно тысяча белков у мыши и четыре сотни – у человека, что было выше всех все ожиданий. Для сравнения, самое крупное семейство GPCRs после обонятельных рецепторов – семейство рецепторов серотонина, и их число куда менее внушительно: тогда было известно чуть меньше дюжины, сейчас – пятнадцать. Другим интересным открытием, касающимся генетических характеристик только что обнаруженных рецепторов, было то, что они имели несколько важных аминокислотных мотивов, которые были и у других членов надсемейства. Кроме того, обонятельные рецепторы обладали дополнительными мотивами, общими для всех представителей семейства, но при этом чрезвычайно разнообразными. Иными словами, обонятельные рецепторы по функции и структуре отражали самые характерные свойства GPCRs, только в меньшем масштабе, и составляли при этом отдельное семейство. Учитывая, что примерно половина современных исследований по созданию лекарственных препаратов связана с воздействием на GPCRs, значение расшифровки молекулярного кода обонятельных рецепторов выходит далеко за пределы носа. На молекулярном уровне определение запахов не является чем-то особенным. Это простая модель[104].

Кроме того, генетический интерес к обонятельным рецепторам был связан со способом их обнаружения. Обоняние стало признанной частью основных направлений исследований в нейробиологии, поскольку доказало возможность успешного применения важнейшей генетической методики и даже расширило ее применение.

Гениальность Бак отразилась в методологии ее экспериментов, основанной на необычном применении полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод ПЦР использует естественный процесс репликации ДНК, в котором участвует фермент полимераза, синтезирующий копию нити ДНК с использованием пары праймеров. Праймеры – это короткие последовательности нуклеотидов, связывающиеся комплементарным образом с определенными участками геномных последовательностей. Эту процедуру можно воспроизвести многократно, повторяя реакционный цикл и получая искомые фрагменты генома в экспоненциально возрастающем количестве. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет решать проблему недостатка генетического материала.

Немногие технологии оказали такое революционное влияние на науку, как метод ПЦР. Это изобретение Кэри Муллиса, удостоенного Нобелевской премии по химии в 1993 году, «буквально разделило биологию на две эпохи – до ПЦР и после ПЦР»[105]. В период, когда Бак защитила диссертацию и начала работать, ПЦР был сравнительно новым инструментом. «Я была очень возбуждена, когда выходили статьи с описанием ПЦР, – вспоминала Бак. – Я думала, что ПЦР откроет двери ко многим вещам. Как чудесное лекарство для микробиологических целей! Только подумайте, что позволил сделать первый микроскоп; люди могли смотреть и могли видеть. А для меня самое главное – это видеть!»

На первых этапах развития любой новой технологии возникают многочисленные проблемы с подбором материалов и определением ограничений метода. В то время не было очевидно, что ПЦР – лучший инструмент для обнаружения неизвестного семейства генов. Метод основан на естественном механизме копирования и амплификации (размножения) известных генетических образцов и позволяет получать достаточное количество материала для крупномасштабных генетических исследований. Но важное исходное условие для проведения ПЦР в том, что геномная последовательность, которую собираются размножать, уже известна хотя бы отчасти; однако в то время не были выявлены никакие геномные последовательности обонятельных рецепторов.

Бак совместила два варианта ПЦР. Как в рыбацкой сети, она использовала сочетание различающихся генетических фрагментов (называемых вырожденными праймерами) для связывания и копирования целого спектра разных, но имеющих достаточную степень сходства геномных последовательностей. Праймеры для ПЦР называют вырожденными, когда в некоторых положениях в их последовательности располагаются разные основания: «например, в праймере GG(CG)A(CTG)A в третьей позиции стоит либо C, либо G, а в пятой – либо C, либо T, либо G»[106]. Степень вырожденности праймера определяет количество таких специфических последовательностей (в данном примере их шесть). Таким образом, вырожденные праймеры менее специфичны и позволяют амплифицировать родственные, но различающиеся генетические последовательности.

«Для вырождения праймеров я собрала все известные последовательности [GPCRs], число которых было очень ограниченным, и сравнила их вручную. Затем я сконструировала вырожденные праймеры, которые позволяют амплифицировать любые из этих GPCRs за счет того, что уже являются гибридами». Далее Бак сделала еще один рискованный шаг: «Когда речь зашла об общих праймерах, я подумала, что это могут быть праймеры для GPCR, но, возможно, для рецепторов какого-то другого типа, например, для ядерных рецепторов. И поэтому я сконструировала общие праймеры не только для GPCRs, но также для семейства ядерных рецепторов».

Задача Бак была не в том, чтобы найти известные мотивы, общие для всех GPCRs. Ее комбинированная мозаика праймеров позволяла обнаружить частичное и перекрывающееся сходство между разными GPCRs. Но как узнать, нашли ли вы правильные гены? Вторая гениальная идея Бак – вместо ДНК использовать РНК. Этот выбор позволил ей получить генетический материал с разной молекулярной массой (концентрацией) и выбрать только самые тяжелые образцы! Вскоре использование вырожденных праймеров для ПЦР стало частью стандартного генетического протокола, например, для генетического сравнения организмов разных видов.

Идентификация генов рецепторов в конечном итоге дала ученым ключ к изучению обонятельного мозга. Это открытие выявило весьма специфический характер экспрессии генов в обонятельной системе, что обещало подарить прямой доступ к механизмам действия обонятельных нейронов. В каждом чувствительном нерве в эпителии носа экспрессируется один ген рецептора (то есть «обеспечивается появление в клетке продукта этого гена»). Следовательно, если экспериментатору удастся проследить признаки активации отдельного сенсорного нерва, он сможет непосредственно увидеть, где и как рецептор передает сигнал в мозг.

К концу XX века необходимые элементы для расшифровки механизмов обоняния уже были известны. В последующие два десятилетия несколько лабораторий включились в жесткую конкуренцию за расшифровку обонятельного кода. В 1990-х и 2000-х годах многие ученые верили, что обонятельный мозг скоро раскроет внутренние механизмы своей работы. Превалировало мнение, что обонятельная система, как и любая сенсорная система, для отражения стимулов использует нейронное пространство определенным топографическим образом. Но вопрос, как она это делает, оставался открытым. В отношении зрительной системы им уже занимались. И существовало множество причин, чтобы считать, что модель обонятельного мозга можно создать по аналогии с моделью зрительной системы.

Парадигма зрения и функциональная локализация

Нельзя не попасть под очарование зрительной системы. Задумайтесь на минуту: то, что вы обычно видите – это не то, на что «смотрят» клетки сетчатки. Зрение начинается с отдельных фотонов. Как регистрация фотонов вызывает формирование сложных зрительных образов, таких как человеческие лица?

Чтобы оценить работу зрительной системы, нужно признать важнейший принцип – клетки нашей зрительной системы действуют избирательно. Они не возбуждаются под влиянием любого стимула, но реагируют селективно на специфические признаки. Благодаря такой избирательности одиночные клетки объединяются в кластеры, а кластеры последовательно выстраиваются в сложный механизм извлечения сенсорной информации. И работает это весьма примечательным образом.

Зрение начинается с того, что фотоны, организованные в виде некоего энергетического рисунка, ударяют по рецепторам сетчатки (пока мы представляем себе это в виде двумерной пластинки в глубине глаза). Их сигнал передается по зрительному нерву – пучку нервных волокон, называемых аксонами, – к таламусу. Если сделать двусторонний срез головы позвоночного животного, таламус обнаружится непосредственно в центре мозга. Подобно ретранслятору в роутере, таламус собирает входящие сигналы от различных источников как сенсорной, так и моторной информации и передает их в соответствующие отделы коры полушарий головного мозга. Здесь сигнал от сетчатки идет через зрительный отдел таламуса – латеральное коленчатое тело. Далее эта информация отправляется в заднюю часть головы, где находится зрительная кора. Зрительная кора состоит из нескольких частей, определяющих ее функциональные подразделения. Главные сигналы от таламуса проецируются в первичную зрительную кору, также называемую зоной V1, или полосатой корой. Отсюда сигналы распространяются в несколько зон зрительной коры более высокого уровня (связанных со специализированными функциями, такими как движение, определение направления или обработка цвета)[107].

Исследования зрения находятся в полном расцвете, поэтому данная схема зрительного пути – крайне упрощенная. Изучающая зрение нейробиолог Айна Пьюс из Индианского университета в Блумингтоне добавляет, что способность видеть не объясняется примитивной моделью сетчатка—таламус—зона V1: «Конечно же, есть альтернативный путь, ведущий к подушке таламуса, верхнему бугорку и экстрастриарной коре, минуя зону V1. Благодаря этому пути реализуется феномен слепозрения[108]!»

Фундаментальным принципом зрительного пути является его способ получения сигнала извне. Зрительная кора работает на так называемых ретинотопических картах. Они обозначают области коры, соответствующие определенным областям сетчатки: когда мы наблюдаем за активностью коры, эти карты помогают точно определить, из какой части сетчатки приходит сигнал. И наоборот, когда мы исследуем сетчатку, мы видим, в какую точку коры проецируется сигнал. Наглядный пример этого принципа – центральная ямка, важнейшее место сетчатки, в которой наше зрение наиболее остро благодаря наивысшей концентрации колбочек (чувствительных к цвету рецепторов, реагирующих на источники света высокой интенсивности). Сигналы от центральной ямки приходят к определенному участку в зоне V1. Имея точку отсчета, мы можем нанести на карту других отделов первичной зрительной коры входные сигналы от соседних клеток сетчатки, ответственных за периферическое зрение. При такой организации принимаемые сетчаткой сигналы отражаются в виде картины возбуждения нейронов. Поскольку эта идея – ядро сенсорной нейробиологии, по-прежнему направляющей развитие современных исследований в области обоняния, необходимо обсудить ее исторический аспект и технические подробности.

На протяжении первой половины XX века многих ученых, изучавших мозг, волновала загадка: как информация от внешнего источника света кодируется на разных этапах зрительного пути? Зрительная система представляет данные в форме пространственных и временных картин, которые можно зарегистрировать по возбуждению нейронов. Вопрос в том, как система различает и интегрирует эти картины для создания единого зрительного образа.

Отправным моментом для решения этой загадки послужила серия революционных экспериментов[109]. В конце 1950-х годов Дэвид Хьюбел и Торстон Визель, два молодых исследователя из Университета Джонса Хопкинса, зарегистрировали электрические сигналы отдельных клеток зрительной коры кошки. Они встроили микроэлектрод в зону V1 в задней части ее головы и записывали ответы на некоторые световые стимулы, появлявшиеся на экране. Как часто бывает с котами, поначалу почти ничего не происходило. Ни находящееся под наркозом животное, ни его корковые клетки заметным образом не реагировали на изображения на экране. На этом эксперимент мог бы закончиться, если бы не одна счастливая случайность, столь характерная для важнейших событий в истории науки. Хьюбел и Визель подавали стимулы с помощью проектора и прозрачных стеклянных слайдов с черными и белыми пятнами. История гласит, что в тот день после многих часов безрезультатных экспериментов они начали укладывать оборудование, как вдруг микроэлектрод в голове кота выдал звук клеточной активности, напоминавший быструю пулеметную очередь.

Несколько часов ушло на то, чтобы понять причины произошедшего. Стеклянный слайд, который они использовали, был грязным по краям. Когда он сполз с проектора, на экране возникла тонкая линия, а не пятно. Продолжая эксперимент, Хьюбел и Визель обнаружили кое-что еще. Клетки полосатого тела не просто реагировали на линии, но также, по-видимому, предпочитали линии в определенной ориентации. Более того, и это особенно важно, клетки, обозначающие склонность к конкретной ориентации, формировали группы.

То, что мы видим – не пассивное отражение внешнего мира. Как выяснилось, визуальные образы представляют собой конструкты, созданные нашей сенсорной системой. Хьюбел и Визель опубликовали свои результаты в виде серии из трех статей и именно за них в 1981 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.

Хьюбел и Визель внесли двойной вклад в развитие нейробиологии. В первую очередь их открытия уладили длительный конфликт между двумя основными теориями функционирования мозга[110]. Одна теория постулирует, что любой ментальный процесс более или менее равномерно распределен по всему мозгу или по крайней мере вовлекает большинство его областей. Эта идея известна как концепция эквипотенциальности мозга. Она доминировала в XIX веке, а ее самыми известными сторонниками были французский физиолог Жан-Пьер Флуранс и швейцарский анатом Альбрехт фон Галлер. Несмотря на накапливавшиеся несоответствия, эта теория продолжала влиять на исследования нейронных и психологических механизмов мозга на протяжении всей первой половины XX века, что, например, проявилось в работе американского психолога и когнитивиста Карла Лешли.

Альтернативная теория функциональной локализации предполагала наличие в мозге выраженных анатомических участков, соответствующих физиологическим функциям и ментальным возможностям. Одним из первых сторонников этой теории был шведский ученый XVIII века Эммануил Сведенборг. Идея локализации получила распространение в форме френологии, которую в XIX веке горячо пропагандировал немецкий нейроанатом Франц Йозеф Галль. Поначалу к этой идее относились скептически. Однако дальнейшие наблюдения, особенно эксперименты с повреждениями мозга, подтверждали идею, что некоторые сенсорные и когнитивные функции связаны с активностью специфических участков мозга. Это предположение дополнительно укрепилось благодаря исследованиям таких выдающихся ученых, как французский врач Поль Брока и шотландский невролог Дэвид Ферриер.

Поворотный момент произошел на заре нового столетия с появлением метода Гольджи, названного по имени его изобретателя итальянского врача Камилло Гольджи. Этот элегантный метод окрашивания показал, что мозг – не однородная субстанция, а сложная и запутанная конструкция из отдельных нервных клеток и слоев. Ситуация оказалась достаточно забавной, поскольку сам Гольджи горячо отстаивал противоположную точку зрения. Он полагал, что весь мозг представляет собой синцитий – единую массу ткани с общей цитоплазмой. Его противостояние с нейронной доктриной Рамон-и-Кахаля стало легендой. Изображения, полученные с помощью метода Гольджи, обеспечили важнейшее понимание анатомического строения мозга. Открытия Хьюбела и Визеля представили необходимые доказательства для определения точного функционального разделения этих клеточных слоев.

Второй аспект открытия Хьюбела и Визеля по значимости даже превосходит первый. Их исследования открыли широкий новый путь для моделирования нейронных механизмов обработки сенсорных сигналов, что было вполне в духе времени. В период работы Хьюбела и Визеля важнейшей концепцией, привлекавшей в биологических науках огромное внимание, была концепция информации. В нескольких направлениях исследований, особенно в генетике, но также и в изучении сенсорных путей, возникло представление, что биологические системы действуют подобно кодирующим информацию машинам. Открытие Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и в определенной степени Розалинд Франклин в 1954[111] году двойной спирали ДНК подтвердило, что чрезвычайно важно говорить об информации в биологических терминах. Идею подхватили кибернетические исследования биологических систем, возглавленные Норбертом Винером, Уолтером Питтсом и другими[112]. В этом контексте встал вопрос: какая информация передается сенсорными системами? Каковы принципы устройства кодирующих систем, благодаря которым информация передается от первичных органов чувств, например, глаз, к мозгу?

В начале 1950-х годов Штефан Куффлер, в чьей лаборатории в Университете Джонса Хопкинса работали Хьюбел и Визель, показал, что первый этап кодирования зрительной информации осуществляется уже в сетчатке[113]. Это было важное открытие, поскольку оно означало, что глаз не просто регистрирует, но активно отбирает и организует световые картины. Выводы Куффлера согласовывались с другими данными, полученными его современниками, в частности, со знаменитой публикацией Джерома Леттвина 1959 года с великолепным названием «Что глаз лягушки говорит мозгу лягушки»[114]. Ключ, который Куффлер вручил Хьюбелу и Визелю – концепция рецептивного поля нейронов. Рецептивное поле – это набор световых стимулов с определенным положением в пространстве, на который реагируют клетки сетчатки.

Исследования Куффлера показали, что клетки сетчатки выводят зрительный сигнал как бы кругами благодаря их организации по принципу «центр-периферия». Некоторые клетки реагируют на световую энергию более активно. Такие возбуждающиеся клетки окружают другие клетки, которые на стимуляцию отвечают торможением. Эти круговые образования помечаются как «on-центр». Другие группы клеток, построенные противоположным образом, маркируются как «off-центр»: в середине располагаются тормозящие клетки, а возбуждающиеся – вокруг них. В каком-то смысле мир, который передают наши глаза, состоит из темных и светлых пятен. Понятное дело, это не то, что мы видим. Как из круговерти черных и белых пятен мы получаем четкое изображение предметов?

Именно эту загадку пытались разгадать Хьюбел и Визель в экспериментах на коре мозга кошки. Они обнаружили, что в корковых клетках мозга кошки происходит узкоспециализированная иерархическая интеграция. Чем выше уровень сенсорной обработки, тем более избирательно реагируют клетки. За несколько этапов опосредованной синаптической передачи рецептивные поля черных и белых пятен в сетчатке превращаются в линии в первичной зрительной коре. Потом эти контуры собираются в изогнутые линии и т. д. Идя от первичной зрительной коры к высшим корковым областям зрительной системы, мы наблюдаем переход от так называемых простых клеток (чувствительных к ориентации) к сложным клеткам (чувствительным к движению) и гиперсложным клеткам, или «клеткам с концевым торможением» (чувствительным к длине линии). Избирательность клеток по отношению к сигналу растет в соответствии с усложнением возникающего изображения.

Это открытие подтверждало гипотезу: мозг воспринимает информацию за счет сигналов от специализированных групп клеток, а не за счет равномерного вклада всех нейронов. Появилось понимание, что мозг работает благодаря последовательной и иерархической организации нейронных кластеров. Обнаружение такой упорядоченной и последовательной обработки информации позволило сформировать представление о схеме ее передачи и поднять вопросы о том, что и как вычисляет мозг.

Вычислительная концепция, внедренная в исследования передачи нейронных сигналов, оказала серьезное влияние на зарождавшееся направление нейробиологии. Она позволила разделить процесс обработки сенсорных сигналов на несколько этапов хотя бы умозрительно и анализировать их относительно независимо. Это способствовало теоретическому пониманию отдельных этапов обработки сигнала в процессе восприятия, которое не зависело от случайных открытий, сделанных при изучении одной только нейронной структуры.

Схема мозговой топографии

Победа зрительной системы как основы сенсорной нейробиологии объясняется ее нейронной архитектурой. Внешняя упорядоченность обработки данных тщательно, до мелочей переплетена с физической организацией. Весь путь зрительного сигнала приводится в действие последовательно связанными группами или популяциями нейронов, образующими нейронные карты, и в основе этих связей лежит строгий топологический принцип. Понятием, легшим в основу топологической интерпретации нейронной специализации коры, стала колонка[115].

Кортикальными колонками называют вертикальные наборы (столбцы) клеток, реагирующих на одни и те же виды стимулов. Действием зрительной системы управляют два типа такой клеточной специализации – колонки доминирования одного из глаз и колонки ориентации. Подобно ломтикам хлеба колонки окулярного доминирования поддерживают разделение сигналов от левого и правого глаза, начиная от сетчатки и далее через чередующиеся слои латерального коленчатого тела в таламусе вплоть до коры. Следовательно, подключив микроэлектрод к коре, можно понять, из какого глаза она получает сигнал. Если двигать электрод в горизонтальном направлении вдоль поверхности коры, регистрируемый сигнал изменяется последовательно с постоянными интервалами между левым и правым глазом – картинка несколько напоминает шахматную доску. Если же микроэлектрод подключен перпендикулярно поверхности, происходит регистрация сигнала от одного глаза – левого или правого.

Другой тип колоночной структуры определяется клетками, чувствительными к ориентации. Как мы уже обсуждали, кортикальные клетки очень избирательны в отношении светового контраста линий. Эти специфичные клетки образуют регулярные группы, расположенные в удивительно строгом порядке: «каждый раз, когда электрод продвигается на 0,05 мм (50 мкм), в среднем предпочтительная ориентация изменяется примерно на 10 градусов по часовой стрелке или против часовой стрелки»[116]. Таким образом соседнее анатомическое расположение клеток отражает пространственное соседство точек, от которых поступают сигналы.

Идея анатомически обособленных функциональных единиц возникла в результате важнейших открытий в соматосенсорной коре. С помощью нейрохирургических манипуляций в мозге были обнаружены локально разграниченные области. Например, электрическая стимуляция специфических участков сенсомоторной коры может вызывать покалывание в ступнях, а стимуляция другого участка блокирует движение руки. Первым в этом направлении стало исследование нейрохирурга Уайлдера Пенфилда из Макгиллского университета в Канаде. В 1930-х годах Пенфилд отметил функциональные зоны поверхности мозга на идеализированной человеческой модели. Эта идея успешно объединила принципы нейрофизиологии и практику нейрохирургии.

В 1950-х годах Вернон Маунткасл из Университета Джонса Хопкинса провел детальное нейрофизиологическое исследование рецептивных полей соматосенсорной коры. Маунткасл отстаивал идею ее колоночной организации. По его мнению, колонки специализировались на отражении различных характеристик стимулов, таких как прикосновение, нажатие или положение частей тела в пространстве. Эта идея была непростой для восприятия. Поначалу ее яростно опровергали (настолько яростно, что соавторы просили убрать их имена из исходной публикации 1957 года)[117].

Наблюдения Маунткасла подтолкнули воображение Хьюбела и Визеля. Их открытия в коре кошачьего мозга узаконили разговоры о кортикальных колонках. Вскоре аналогичные признаки контикальных колонок были обнаружены при исследовании слуховой системы. Конечно, австрийский невролог Константин Фрейхер фон Экономо предположил существование колонок клеток в первичной слуховой коре еще в 1929 году, однако физиологические доказательства стали появляться только с 1965 года[118]. Обнаружение кортикальных колонок стимулировало поиски единой модели обработки сигналов нейронами, хотя значение этих колонок продолжает оставаться спорным[119].

Становление нейробиологии как науки происходило параллельно с развитием топологического моделирования. Этот процесс ускорился благодаря технологическим прорывам в разработке методов визуализации, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) в 1980-х годах (с возможностью наблюдать за пространственной обработкой данных) и двухфотонная визуализация кальциевых сигналов в 2000-х годах. Основу этого бурно развивающегося направления составляют три понятия.

Первое – информация, вычислительная организация сенсорных сигналов. В качестве иллюстрации можно рассмотреть зрительные сигналы, трансформируемые в нейронные сообщения рецептивными полями клеток, что определяет диапазон входящих сигналов, о которых клетка сообщает другим клеткам. Важнейшую роль в создании рецептивных полей сенсорной системы играют процессы возбуждения и торможения. Одна из функций этих взаимодополняющих клеточных механизмов – в повышении четкости рецептивных полей и возбуждении колебаний коры головного мозга (соответствующих состоянию функциональных сетей; см. главу 8)[120].

Такое понимание информации строится на другом ключевом понятии – понятии обработки данных, процесса, благодаря которому сигналы нейронов создают информационные картины. Содержание и функцию сенсорной информации нельзя интерпретировать, не учитывая соответствующий рисунок нейронных связей.

Третье важнейшее понятие для топографического представления – локализация, модульная организации более или менее обособленных функциональных единиц. Мы уже упоминали, что в зрительной системе клетки собраны в кластеры, которые избирательно реагируют на сходные характеристики стимулов. Наиболее яркое проявление топологических связей между специализированными группами – ретинотопические карты, участки первичной зрительной коры, соответствующие участкам сетчатки.

Топографические проекции в сенсомоторную и сенсорную кору подтверждают идею о том, что мозг работает по общим принципам. Парадигма нейронной топографии в значительной степени строилась на иерархической организации зрительной системы, удобной для вычислительных моделей.

От обонятельного нерва к обонятельному мозгу

Как нейронное картирование зрительной системы стало применяться к обонятельной? Параллели со зрительной системой были проведены уже при открытии рецепторов. Выявление механизма вторичных мессенджеров и рецепторов в обонятельной системе во многом опиралось на передовые знания о передаче сигнала в зрительной системе и изучение зрительного пигмента родопсина, выполняющего функцию рецептора на поверхности клетки. Ожидалось, что дальнейшее моделирование по аналогичному принципу приведет к прогрессу, а после выявления зрительного рецептора – к обнаружению чего-то вроде «носового кода». Знание такого кода казалось необходимым для изучения взаимосвязей между поведением нейронов и запахом. Поэтому первым делом требовалось найти рецептивные поля недавно обнаруженного семейства трансмембранных белков. Ученые полагали, что эти поля объяснят, какие характеристики молекул система выделяет, собирает и представляет в виде топологических карт.

Однако надежды не оправдались. Сложность молекулярного механизма обоняния превзошла все ожидания. Мало того что размер семейства рецепторов превышал размер всех ранее обнаруженных семейств – как сообщили Бак и ее постдокторант Беттина Малник в 1999 году, эти рецепторы действовали за счет комбинаторного кодирования[121]. Каждый обонятельный рецептор отвечал не только на специфический лиганд или группу однотипных лигандов, таких как молекулы мускуса с кольцевой структурой. Оказалось, что один рецептор этого семейства может узнавать целый спектр молекул с разными характеристиками, и наоборот, одна молекула может связываться с несколькими рецепторами с разным молекулярным строением. Число возможных взаимодействий с раздражителями было гигантским. Кроме того, при таком развороте существование «первичных запахов» оказывалось маловероятным[122]. Идея строилась на аналогии с первичными цветами в зрительной системе, где небольшой набор цветов отвечает за свойства и диапазон их смесей. Однако из-за комбинаторного кодирования идея ограниченного числа первичных запахов оказывалась бессмысленной.

Но комбинаторное кодирование было лишь частью проблемы. Другая сложность заключалась в чувствительности обонятельных рецепторов, в частности, в характере их экспрессии в клетках. Иллюстрирует эту проблему одна редко упоминаемая деталь открытия Бак и Акселя. Строго говоря, в 1991 году Бак и Аксель не показали, что найденное ими обширное семейство генов действительно отвечает за экспрессию обонятельных рецепторов. В заголовке статьи «Новое мультигенное семейство может кодировать рецепторы запаха: Молекулярные основы распознавания запахов» Бак и Аксель не скромничали; они намеренно использовали модальный глагол «может». Кажется очевидным, что обнаруженные Бак и Акселем гены должны быть генами обонятельных рецепторов, но им не хватало неопровержимых доказательств. Стандартным методом для идентификации функции генов этого семейства была бы гетерологичная экспрессия: встроить исследуемые гены в необонятельные клетки, такие как клетки дрожжей, чтобы клетки могли синтезировать рецепторные белки, а затем проверить реакцию на различные одоранты, на которые в норме эти клетки не реагируют.

Но такая простая с виду стратегия оказалась чрезвычайно сложной. Гены обонятельных рецепторов с большим трудом удавалось ввести в какие-либо другие клетки, кроме обонятельных нервов. На эту работу ушло полтора десятка лет. Все же в 1998 году Стюарт Фаерштейн и его бывший аспирант Хайцин Чжао нашли хитрый способ обойти это препятствие[123]. Фаерштейн так рассказывает о том, что придумал Чжао: «Однажды он вбежал в мой кабинет и сказал: “Я знаю, какие клетки мы можем использовать для экспрессии обонятельных генов. Обонятельные нейроны!”» Фаерштейн немедленно указал на сложность положения, поскольку «в этом-то и проблема: обонятельные нейроны всегда были единственными клетками, в которых экспрессировались гены этих рецепторов». Поскольку в клетках мышиного эпителия тысячи таких генов, как можно с уверенностью сказать, что продукт какого-то отдельного гена особым образом реагирует на конкретный запах? Иными словами, казалось невозможным узнать, что именно X – а не любой – так реагировал на Y.

Однако Чжао и Фаерштейн превратили проблему в решение. Поскольку гены обонятельных рецепторов экспрессируются только в обонятельных нейронах, исследователи решили использовать именно обонятельные нейроны для усиления экспрессии одного гена рецептора, чтобы определить диапазон связывания. Они заразили эпителий крысы вирусом, несущим один выделенный ген рецептора. Эта инфекция привела к усилению экспрессии одного специфического гена, что увеличило долю этого рецептора в эпителии с 1 % до 30 %. В результате любой лиганд, который возбуждал этот рецептор (теперь его называют крысиным обонятельным рецептором I7), приводил к непропорционально сильному ответу, что позволило определить диапазон связывания[124]. Эксперимент подтвердил идею. Но процедура была слишком трудоемкой и длительной, чтобы применить ее к тысяче с лишним генов и сотням тысяч лигандов. Экспрессия рецепторов до сих пор остается трудным делом. Хироаки Мацунами из Дьюкского университета, который раньше работал с Бак, впервые добился гетерологичной экспрессии рецепторов запаха только в 2011 году[125]. Мацунами интересовался деорфанизацией рецепторов (определением того, с какими молекулами запаха взаимодействует конкретный рецептор). А в 2014 году Джоэль Мейнленд в Центре химических чувств Монелла усовершенствовал метод Мацунами для осуществления первой экспрессии генов человеческих обонятельных рецепторов[126]. Надежда на расшифровку кода запахов ослабела, но не исчезла.

А вскоре стало понятно другое. Кодирование рецепторов носового эпителия отличалось от процессов в сетчатке: для начала там не работал принцип «центр-периферия». Кроме того, было непонятно, как могла бы выглядеть «карта запахов», аналогичная ретинотопической карте. В конечном итоге предположение о существовании «карты запахов» в эпителии так никогда и не подтвердилось. Поначалу в 1993 году Бак и Керри Ресслер обнаружили в эпителии некое подобие зон с разной экспрессией генов[127]. Однако в отличие от участков «центр-периферия» в зрительной системе, наличие таких зон не обеспечивало возникновение дискретных пространственных картин связывания рецепторов.

Быть может, карта формировалась на более поздних этапах? Очевидным кандидатом была обонятельная луковица – следующий пункт обонятельного пути. Кахаль уже выдвигал такое предположение: «Тщательное сравнение структуры, расположения и связей означенных [обонятельных] центров с аналогами в зрительной, тактильной и акустической системах позволяет признать, что обонятельная луковица гомологична сетчатке (не всей сетчатке, но внутреннему плексиформному слою, ганглионарному слою и [слою волокон зрительного нерва]), вентральному и латеральному [кохлеарным ядрам] продолговатого мозга и [ядрам дорсальных колонок]»[128].

Чтобы понять, что имел в виду Кахаль, давайте еще раз заглянем в глаз. В отличие от обонятельной информации, зрительная информация проходит через многочисленные синаптические связи и многие слои нейронов разных типов, пока не достигнет коры мозга. Только в сетчатке мы видим три слоя чувствительных нейронов, причем каждый выполняет особую функцию. В частности, в сетчатке есть два типа рецепторных клеток и четыре типа нейронов: биполярные, ганглионарные, горизонтальные и амакриновые клетки. В первом слое в глубине сетчатки мы различаем два типа рецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки имеют вытянутое строение, содержат пигмент одного вида и реагируют на переменное освещение (в том числе с низкой интенсивностью). Они отвечают за ночное видение. Колбочки значительно толще и обычно содержат пигменты одного из трех видов, которые резонируют со светом высокой интенсивности и облегчают цветовое зрение.

За этим первым слоем специализированных рецепторных клеток идет второй слой биполярных и горизонтальных клеток. Информация от нескольких рецепторных клеток собирается горизонтальными клетками и передается вытянутым биполярным клеткам, которые также могут принимать входной сигнал напрямую от клеток сетчатки.

В третьем слое сферические ганглионарные клетки сетчатки продолжают собирать информацию от биполярных клеток, а затем отсылать ее из сетчатки по зрительному нерву. Слой амакриновых клеток, аналогичных горизонтальным клеткам, частично служит посредником при передаче информации между биполярными и ганглионарными клетками. Задача такой многоэтапной обработки информации – в улучшении разрешения рецептивных полей, причем при передаче сигнала сохраняется структура «центр – периферия». Прогулка по такому многовидовому лесу взаимосвязанных клеток позволяет дополнительно оценить простоту обонятельной системы, содержащей всего два синапса.

Анатомия обонятельной луковицы поразительно схожа с анатомией зрительной системы. Луковица, как и сетчатка, выполняет свою функцию с помощью клеток разных типов, распределенных по нескольким слоям. В целом ее структура имеет следующий вид. Выходящие из эпителия обонятельные нервы сливаются между собой в так называемом гломерулярном слое (слое клубочков), состоящем из сферических нейронных структур, образующих первый (внешний) слой луковицы. Клубочки иннервированы клетками двух типов: митральными (получившими название за сходство с митрой – головным убором епископа) и более мелкими пучковыми. (Термин «иннервация» означает, что отростки этих клеток далее проводят сигнал в обонятельную кору, создавая первый синаптический контакт обонятельного пути.) Как и в рецепторах сетчатки, эти клубочки связаны между собой в горизонтальном направлении и обеспечивают латеральное торможение соседних клеток (то есть клетки могут ослаблять возбуждение соседних клеток). Если так смотреть, то строение обонятельной луковицы напоминает строение сетчатки как в анатомическом, так и в функциональном плане. Поначалу казалось, что эта гипотеза доказуема: Роберт Вассар и Аксель сообщили, что обнаружили в луковице пространственно дискретных и топологических картин активации стимула[129].

Существование карты луковицы не вызвало удивления по крайней мере у одного человека. Гордон Шеферд защищал идею топографической организации обонятельной луковицы еще до открытия рецепторов. «Я убедился, когда стало понятно, что в обонятельной луковице существует латеральное торможение и что мы имеем такие же электрофизиологические свойства, какие в моторных нейронах. Наконец мы нашли картины, создаваемые запахами, – важнейшее свойство, обнаруженное в соматосенсорной системе, зрительной системе, двигательной системе и т. д. Я думаю, это должно быть справедливо и для запахов». Шеферд считал, что «по сравнению со зрительными путями, которые начинаются в сетчатке и проходят через таламус до зрительной коры, обонятельные эквиваленты всех этих структур как бы сконцентрированы в обонятельной луковице»[130].

Однако в то время молекулярные биологи и физиологи не участвовали в общих дискуссиях и не читали одни и те же статьи. Поэтому, хотя открытие генов рецепторов Бак и Акселем привлекло к себе всеобщее внимание, при появлении первых теорий и проведении Шефердом первых экспериментов по изучению обонятельной системы в целом или луковицы в частности такого немедленно не произошло. В главе 1 мы говорили, что до 1990-х годов не существовало единого сообщества ученых, занимавшихся вопросами обоняния; скорее, это была междисциплинарная группа самых разных специалистов. Даже сегодня в исследованиях запаха продолжает наблюдаться некоторая разобщенность дисциплин.

Шеферд обнаружил локально распределенные картины активации нейронов в луковице в 1970-х годах, вдохновленный трудами английского физиолога сэра Эдгара Эдриана, работавшего в Кембридже в 1940-х и 1950-х годах[131]. Эдриан, удостоенный в 1932 году Нобелевской премии по физиологии, регистрировал возбуждение нейронов луковицы с помощью тонкой магнитной проволоки. Ответы на разные одоранты были выборочными: «По-видимому, молекулы ацетона вызывают возбуждение в основном во фронтальной части органа и в конкретной группе рецепторов в этой области, обладающей к ним специфической чувствительностью». Эдриан выяснил, что локальный рисунок активности зависел от дополнительных факторов, включая концентрацию стимула, однако при этом сохранял основной вид. «В результате электрофизиолог, глядя на серию таких записей, может идентифицировать конкретный запах, который вызывает каждый рисунок». Однако он же спешил добавить: «Мы не должны делать заключение, что мозг идентифицирует запах по такому же критерию».

Шеферд был знаком с Эдрианом: «Когда в 1962 году я заканчивал работу над диссертацией в Оксфорде, я посетил Эдриана, чтобы обсудить, как мои результаты соотносятся с его идеями относительно представления запахов в виде пространственной картины активности митральных клеток обонятельной луковицы. Какой механизм лежит в основе формирования этих пространственных картин? Я не помню подробностей нашей беседы, но помню его последний совет: “Взгляните на клубочки”»[132].

Шеферд продолжил работу с того места, где остановились Кахаль и Эдриан. Он использовал технологию получения изображений, которую незадолго до этого разработал биохимик Луис Соколофф. Этот метод с труднопроизносимым названием «2-дезоксиглюкозный» (2DG) заключается в мечении и последующем обнаружении клеток с помощью авторадиографии, что позволяет определять метаболическую активность в конкретных областях бодрствующего мозга. В 1975 году Шеферд и его постдокторант Джон Кауэр, работая с одним из создателей метода Фрэнком Шарпом, представили первые четкие изображения отдельных локальных картин активации луковицы[133].Выяснилось, что на уровне клубочков тоже возникали центры активности, и, по-видимому, существовала базовая схема обработки сигналов одорантов с разной концентрацией. Вскоре после этого в некоторых других лабораториях тоже начались поиски обонятельной карты, и группы (модули) клубочков стали считать функциональными эквивалентами рецептивных полей сетчатки (см. главу 7).

Как интерпретировать картины активации в луковице? Точнее, как обонятельная луковица превращает случайную активность эпителия в упорядоченную или систематическую карту? Нейрогенетик Питер Момбертс, работавший с Акселем, получил ответ на этот вопрос в 1996 году[134].

Момбертс с коллегами установили интересную генетическую особенность обонятельной системы. Вспомните, как при открытии рецепторов выяснилось, что все обонятельные нейроны чаще всего экспрессируют лишь по одному гену рецептора и, следовательно, синтезируют рецепторы лишь одного типа.

Таким образом в экспериментальном плане чувствительные нейроны служили возможной альтернативой в исследованиях функционального поведения рецепторов. Если идентифицированы лиганды, возбуждающие какой-то чувствительный нейрон, значит, идентифицированы лиганды, активирующие его рецептор. С помощью генетических маркеров можно проследить, с каким участком луковицы эти рецепторы сообщаются посредством соответствующих нервов. Именно это проделал Момбертс.

Он обнаружил, что нейроны, экспрессирующие ген одного и того же рецептора, сходятся в одном клубочке, где сигналы рецептора появляются в виде дискретных пространственных участков. Конвергенция чувствительных нейронов показывала, что при активации специфического диапазона рецепторов под действием какой-то молекулы этот сигнал создает в луковице дискретные участки активности.

Молекула мускуса вызывает не такую картину активации, как молекула с цитрусовым или фруктовым запахом, и каждый одорант вызывает уникальную картину активации, как отпечаток пальца[135].

Изучение рецептивных полей обонятельной системы переместилось из обонятельного эпителия в луковицу. Через 15 лет после открытия рецепторов нейробиология обоняния получила доступ к связям между рецепторами и мозгом.

Quo Vadis[136], обоняние?

В середине 2000-х годов казалось, что обонятельная система действует посредством топографической организации аналогично другим сенсорным системам. Ожидалось также, что пространственное распределение картин активации в луковице воспроизводится в обонятельной коре. На протяжении десятилетия ничто не противоречило этим предположениям. По крайней мере казалось, что фрагменты складываются в единую картину. Интуитивно менее понятным было, какая информация кодируется картой запахов.

Топография луковицы не позволяла выявить какую-то упорядоченность запахов. Что же на самом деле отражалось на этой карте? Какие свойства запахов были связаны с такими нейронными корреляциями? По-видимому, содержание нейронных карт соответствовало значимой модели сигнала, отражающего особенности окружения. Было понятно, как мозг использует нейронное пространство для кодирования окружающего пространства с помощью зрения, однако к запахам эта идея оказалась неприменима, что мы и обсудим на последующих страницах книги.

Почти любой ученый от теоретика и практика нейробиологии до молекулярного биолога и от нейрогенетика и сенсорного психолога до специалиста по химии запахов согласится, что проблемы обоняния пока еще далеки от разрешения.

Нейробиолог Джоэл Мейнленд рассказывал, как он начал работать в этой области: «Вы не знаете основ. Вы не знаете, как на самом деле работают рецепторы. Вы не знаете, как кодируется интенсивность. Все эти вещи известны для зрения. Существуют первичные цвета, и можно предсказать, какой цвет получится, если их смешать, но вы не можете сделать ничего подобного в отношении обоняния. Здесь оставалось множество открытых вопросов, которые выглядели объемными и важными, и потому область казалось близкой к идеалу для исследований».

Когнитивный психолог Йонас Олофссон из Стокгольмского университета так выразил необходимость поисков более качественной теории и экспериментальных данных: «Я думаю, что философское и психологическое понимание роли обоняния очень важно для интерпретации биологии, в том числе в качестве эволюционного биологического ответа. Обоняние зависит от локального окружения. Понимание свойств контекста, функциональных особенностей ситуации – без этого мы не сможем понять, какая биологическая активность развивается и почему».

«Что нас ограничивает теперь – данные или теория? – спрашивает нейроинформатик Рик Геркин из университета Аризоны. – В контексте машинного обучения мы определенно ограничены данными, поскольку модель машинного обучения вытягивает из данных все, что только возможно. Единственный способ ее улучшить – в получении дополнительных данных. Однако в теоретическом аспекте нам все еще не хватает теории. [Современная модель] не показывает, как работает обоняние. Так что, возможно, кто-нибудь сможет предложить элегантную теорию с участием рецепторов, нейронов и всего остального и заявить: «Вот так работает обоняние», – причем на основании тех же самых данных».

Биофизик Андреас Мершин из Массачусетского технологического института качает головой: «Вся идея в том, что для решения многих проблем нам нужна уйма данных… О мой Бог, если бы только у меня было достаточно обонятельных рецепторов с известной специфичностью, если бы у меня было достаточно генов и первичных элементов структуры, я бы добился успеха! Но эта идея несостоятельна. Никогда еще не было так, чтобы на текущем этапе развития науки нам не хватало данных. Бывали времена, когда нам их действительно не хватало, но в области обоняния, в поисках лекарств и во всем, чем я занимаюсь, мы не ограничены наличием данных».

Олофссон отмечает: «Нам безусловно нужно больше задумываться о роли обоняния и об интерпретации аксональных картин – и почему они так организованы. Я думаю, это требует постановки многих теоретических и практических вопросов».

Обоняние готово к вопросам. Нам нужно осмыслить данные, которые у нас есть. Мершин соглашается: «Про обоняние можно говорить, не испытывая серьезного давления типа: “О нет. Мы точно знаем, как все работает!” Мы не знаем даже, как устроено зрение. Это миф – что мы знаем. Если я его подтвержу – вы можете это напечатать, нет проблем, – но если я его подтвержу, то люди подумают, что они знают, поскольку существует множество учебников… Обоняние описано не так хорошо, и это дает чуть больше свободы. Но, по моему мнению, это универсальная система. Это модель для нейробиологии, это модель для нейрофизики. Это способ узнать суть эмерджентных[137] свойств. Это также способ понять эволюционную биологию. Это способ разобраться в ошибочных представлениях о связи структуры и функции. А еще – в описании и классификации».

Междисциплинарная сущность обоняния является как проблемой, так и преимуществом, по мнению Лесли Воссхолл, которая указывает на необходимость мыслить вне готовых схем: «Я редукционист, – смеется она. – И я именно тот человек, который должен выступать против [упрощения], поскольку я по своей специальности стремлюсь свести вещи к простейшим составляющим. Но при этом, возможно, теряется много важного…»

Где мы могли недоглядеть? По мнению Терри Экри, дело в восприятии. «Вы не можете разрешить проблему обоняния, пока не сформулируете основные представления о нем… Вы должны иметь возможность ответить: что значит быть запахом? А вариациями одного и того же запаха? Но мы не можем четко отразить это в нашей речи».

Современные тенденции в обонятельной нейробиологии обращаются к типичному философскому вопросу: что именно мы пытаемся измерить и нанести на карту нейронного пространства в первую очередь? Что такое запах на самом деле?