Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

В воздухе за пределами нашего тела нас ждет множество химических веществ. Они обладают широчайшим диапазоном обонятельных признаков, поведенческих смыслов и чрезвычайно разнообразной молекулярной структурой. После того, как произошла фиксация носом, со всей информацией имеет дело мозг. Что при этом происходит? В отличие от цвета и звука, у запаха связь между его характеристиками и структурой стимула далеко не очевидна. Мы видели, что обонятельный стимул как таковой не объясняет запах. Так как же нос знает, что молекула цис-3-гексенола пахнет свежескошенной травой, а эфирная группа привносит фруктовые ноты? Как мозг решает, что он правильно интерпретирует эти химические признаки?

Ответы зависят от того, что, по нашему мнению, делают сенсорные системы при сканировании стимулов в поисках информации. Наше представление о восприятии основано на идее, что мозг эффективно осуществляет процесс экстраполяции, за счет которого сенсорные системы получают доступ к наблюдаемой природе вещей. Представление о восприятии как об экстраполяции соответствует предположению, что наши чувства фильтруют информацию из случайных и разнообразных сценариев для выявления устойчивых картин мира, закодированных в его физических характеристиках. В этом контексте представление на уровне нейронов – это отражение мозгом ранее встреченных, заученных картин для классификации текущей информации. В таком сценарии чувственное восприятие служит информационной воронкой, осуществляющей процесс отбора признаков в широчайшем мире случайностей и эффективно выделяющей значимые фрагменты. Но что такое «значимые фрагменты»? И как сенсорные системы их представляют?

Вот тут в случае обонятельной системы начинаются сложности. Все это не совсем понятно. Я не хочу сказать, что у нас нет данных. Напротив, на сегодняшний день нам известно невероятное множество подробностей о стимулах. Химики могут забросать вас информацией о структуре одорантов. Такие крупные компании, как Firmenich или Givaudan, собрали обширные базы данных с подробным описанием молекул для помощи в поиске новых синтетических вкусов и ароматов. Разница в один ангстрем[270] тут, дополнительный атом углерода там, и что насчет этой гидроксильной группы, которая передает электроны бензольному кольцу? Знание таких деталей настолько важно, что доступ к этим тщательно охраняемым частным базам данных закрыт.

Недостающее звено

Мы не понимаем в деталях, что обонятельная система делает со всеми этими свойствами и как мозг осмысляет их в виде запаха. И это удивительно, поскольку за последние три десятилетия мы многое узнали о биологических принципах обоняния (см. главу 2). Конечно, иногда вы встречаете комментарии о том, как мало мы знаем об обонянии (возможно, некоторые замечания в данной книге тоже вызывают подобное ощущение). Но если задуматься, сегодня мы знаем достаточно много. Просто мы осознали, как мало понимаем из того, что знаем. И дело не в том, что нам неизвестны основные элементы системы. Скорее, у нас больше структурных данных, чем мы можем осмыслить. Мы можем изучать специфические свойства молекул стимула во всей химической красе. Мы знаем о путях обработки информации и об огромном количестве рецепторов и их проекций в луковице и коре. Все кусочки паззла на местах. Обсуждаются только принципы обонятельного каскада. Так чего же не хватает?

Не хватает объединяющего принципа – топологии, которая служит фундаментом процесса восприятия и интегрирует информацию на разных уровнях. Стимул в той или иной форме – это источник информации для нашей сенсорной системы. Мы не понимаем, как обонятельный стимул передает это сообщение. Общее указание на топологию стимула (это молекула!) отвлекает от поиска ответа на вопрос. Химия запахов невероятно сложна, и физические стимулы обоняния до сих пор не классифицированы. И это, как нам теперь известно, результат не «субъективной» природы запахов, а молекулярной сложности обонятельных стимулов.

Нейробиолог Чарли Грир из Йельского университета напоминает о корнях проблемы: «Одна из самых больших сложностей в том, что мы не понимаем химии системы. Мы до сих пор не разобрались, что является лигандом и как он взаимодействует. Это резко контрастирует с физиологией соматосенсорной системы, где мы очень подробно изучили рецепторы горячего, рецепторы холодного и рецепторы давления. Или зрительной системы. Или системы слуха. Во многих отношениях все они, по крайней мере по моему мнению, сравнительно просты по сравнению с обонянием».

Рассуждения о стимулах могут быть поняты неоднозначно. Даже в отношении зрения мы говорим о двух разных вещах. Одна – находящийся на расстоянии от нас предмет (линия на экране). Другая – причинный стимул, а именно фотоны, попадающие на сетчатку глаза. Очевидно, что это разные проявления предмета. У фотонов нет контуров или углов. У них нет формы или длины. У них нет никаких свойств, которые мы обычно приписываем видимым предметам. Они являются результатом отражения от поверхности, и наша зрительная система использует их в качестве меры отдаленного объекта. Наша способность видеть отдаленные предметы в пространственном измерении связана с тем, что причинный стимул ведет себя пространственно при взаимодействии со зрительной системой (см. главу 5). Видимые предметы воспринимаются объемными, поскольку пространственные измерения (такие как расстояние и размер) являются важной частью информации, которую наше зрение извлекает из отражений от их поверхности.

А как ведет себя стимул при взаимодействии с обонятельной системой? Мы не найдем ответа, если будем изучать молекулы запаха в изолированном виде. Такой подход мы не используем даже в моделях зрительной системы. Стюарт Фаерштейн подчеркивает: «По большей части нас не волнует физика фотонов. Физики, занимающиеся частицами, провели огромную работу по изучению фотонов. Это волны? Это частицы? Для специалистов по зрению это почти неважно. Их интересует оптика, все дело в оптике. Но только по той причине, что им нужен оптический стол для доставки стимула».

Причина доминирования химического подхода в изучении обоняния – в историческом контексте. В XX веке химия предлагала лучшие экспериментальные возможности для изучения запахов. И отчасти этот подход сохранился.

«В нашей области сохраняется такой общий мотив – от молекул к восприятию», – замечает Фаерштейн. На протяжении десятилетий предполагалось, что существуют правила, связывающие химический сигнал с мысленным образом. И сегодня обонятельную информацию все еще анализируют так, будто она закодирована в структуре стимула, тогда как все остальное, включая рецепторы, является молекулярными деталями биологического аппарата. Отслеживая путь сигнала от рецептора в мозг, мы получаем более или менее линейную модель, как определение контуров предметов в зрительной системе. Однако эта модель справедлива лишь в том случае, если рецепторы реагируют на молекулы запахов, как предполагают химики. Но это не так.

Биология рецепторов подчиняется собственным законам. «Проблема идеи о корреляции между молекулами и восприятием в том, что она идет от химии к психофизике, – комментирует Фаерштейн. – О чем мы забывали все эти годы? О биологии!» Через 25 лет после открытия обонятельных рецепторов и после столетия изучения химии стимулов мы обязаны спросить: как работает эта система? «Теперь мы должны опять подключить биологию, – заявляет Фаерштейн. И продолжает: – Но когда мы подключаем биологию… она не встраивается. Она не встраивается в эту прекрасную историю о связи химической структуры с психофизическим восприятием. Вместо этого происходит множество других вещей».

В предыдущей главе говорилось о том, что обработка обонятельного сигнала не сводится к отражению отдаленного стимула в качестве внешнего предмета, а связана с топологией, создаваемой сенсорной системой. В этой главе мы исследуем, почему между химией стимула и топологией его нейронного представления имеется значительное различие. Теперь мы поговорим о том, как биология воспринимает химию.

Очевидный путь

Химия кажется удобной отправной точкой для начального научного интереса к биологии обоняния. «Именно так продвигались исследования обоняния на протяжении долгого времени, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку в этом есть химический смысл, верно? Все молекулы, запах которых мы чувствуем, по большей части являются органическими соединениями. И вы знаете, что есть целая область, называемая органической химией. Естественно, вы ожидаете, что они в этом разбираются. Они дают названия этим молекулам, они их экстрагируют, синтезируют. Они организуют весь этот химический спектакль. Вполне резонно полагаться на химиков-органиков в организации и классификации химических соединений, с которыми они постоянно работают. А мы [нейробиологи] этого не делаем, поскольку мы их только используем».

Нейробиологу нет нужды начинать с нуля. Когда на сцену вышла биология, химия запахов уже существовала. «Не нужно думать, что это окончательный ответ, – комментирует Гордон Шеферд, – однако это совершенно определенно инструмент для более углубленного понимания. Это почти список способов представления входящего сигнала. По моему мнению, простейшая идея – поскольку именно в соответствии с ней происходит анализ большинства чувств – в том, что вам нужно знать, в какой части сенсорного сигнала вы находитесь, чтобы затем стимулировать его отдельные части. Как в поле зрения. А потом понять, в какую часть системы в мозге смотреть».

Но в исследовании обоняния этот подход усложняется из-за огромного количества рецепторов. Ричард Аксель отмечает: «Если у вас есть тысяча разных клеток, а запах активирует сотню рецепторов, число возможных комбинаций превышает число атомов во вселенной! То есть это много, очень много. Это немедленно дает вам возможность распознать столько молекул, сколько вы можете встретить за всю жизнь». Это откровение неизбежно меняет представление о кодировании запаха.

«Нам показалось, что теперь мы можем применить биологию, – замечает Фаерштейн. – Сначала была идея попробовать подогнать биологию и рецепторы под то, что нам уже было известно из химии и психофизики. И биология должна была просто в это встроиться. Как оказалось, так не работает. Но было логично думать в этом направлении или начинать оттуда».

Стимул по-прежнему остается в центре теорий обоняния. Может ли современная наука об обонянии, дополненная знанием о биологии рецепторов, продолжать строиться на связи структуры молекул и их запаха? Сравнивая прошлое с настоящим, мы наблюдаем скрытый онтологический сдвиг.

За последние годы в нескольких исследованиях предпринимались попытки установить связь между структурой молекул и их запахом путем анализа больших массивов данных. В рамках этих исследований с помощью искусственного интеллекта были созданы компьютерные модели обонятельных стимулов, которые могли бы прояснить связь между химией и психофизикой. Этот подход также ознаменовал появление нового поколения ученых среди специалистов по обонянию.

Как замечает Андреас Келлер, проверка новых методов для решения старых проблем не требовала больших усилий: «Было очевидно, что нужно пробовать». Его коллега Пабло Мейер соглашается: «Есть лишь пара очевидных вещей, которые нужно сделать. Я имею в виду, почему бы их не сделать?» Джоэль Мейнленд считает, что такие методы, как машинное обучение, способствовали этому сдвигу, что также отражало теоретико-познавательный разрыв с традицией: произошел переход от объяснения к предсказанию. Машинное обучение представляет собой «новый набор методов, которые еще не были усвоены этой сферой исследований».

Компьютерные технологии обещали вскрыть код носа с помощью более сложных методов, большего количества данных и лучших методов их обработки. Нейроинформатик Рик Геркин считает: «Вы можете ответить на частные вопросы здесь и там, но чтобы ответить на вопросы такого плана, как размерность пространства в обонятельном восприятии или количество существующих запахов, нужно иметь много данных, а для сбора значительного объема данных нужно много времени, это стоит немалых денег, а большинство мест, где изучают обоняние и психофизику обоняния – это скромные лаборатории, которые не могут позволить себе ответы на эти вопросы». Одной из серьезных проблем новых компьютерных исследований были данные. Как заметила Лесли Воссхолл, «большая часть теоретических работ [в области обоняния] была основана на одном наборе данных тридцатилетней давности. Почему никто их не обновил?» Этот старый набор данных назывался «Атлас характеристического профиля запахов» (см. главу 3). Как рассказывает Воссхолл, Эндрю Дравнек «в начале 80-х составил большой список для использования на северо-востоке Соединенных Штатов для людей, родившихся в период демографического взрыва. Но очень многие слова из этого списка не имеют смысла для тех, кто принимал участие в наших исследованиях». – И добавляет: «Все подобные списки… стареют, очень сильно зависят от культурной среды и работают на определенном историческом этапе и для конкретной целевой аудитории».

Еще одна проблема «Атласа» Дравнека – в недостатке методологии его психофизики. Дравнек подбирал описания самостоятельно. В компьютерных исследованиях, отражавших семантику «пространства признаков запаха» через словесные описания Дравнека, не было практических экспериментов по психофизике человека. Иными словами, они отражали пространство признаков запаха «по Дравнеку». Компьютерные методы исследований связи структуры вещества и его запаха имели те же недостатки, что и старые методы: они убирали биологию системы в черный ящик. А если бы в них были реальные психофизические данные?

Именно это было показано в статье Андреаса Келлера, Лесли Воссхолл и Пабло Мейера, опубликованной в 2017 году в журнале Science[271]. Статья примечательна по нескольким причинам. Во-первых, в ней использовались новые конкретные психофизические данные о реакции людей на запахи, взятые из обширного исследования, опубликованного в 2016 году (также Келлером и Воссхолл)[272]. Во-вторых, это был значительный массив данных. Ценность данных по обонянию человека нельзя переоценить. Келлер и Воссхолл работали с 49 участниками, которые понюхали и описали не менее 476 молекул (с помощью 19 семантических идентификаторов и рейтингов интенсивности и приятности). Келлер и Воссхолл проверили большой набор одорантов на необычно большом количестве участников (для такой слабо финансируемой области, какой является обоняние). «Это была удивительно скучная работа, – смеется Келлер. – Вы даете людям вещество и спрашиваете, чем оно пахнет. Трудно придумать что-нибудь менее интересное. Описательная наука в чистейшем виде. Но это было нужно. Так что мы сорвали яблоко и попробовали его».

В-третьих, статья замечательна по той причине, что отражает такой современный подход к научному сотрудничеству, как краудсорсинг[273]. В работе, опубликованной в Science в 2017 году, психофизические данные 2016 года были обработаны с помощью алгоритмов машинного обучения для выявления связи между структурой и запахом. Эксперимент строился следующим образом. Сначала подбирали добровольцев в рамках программы DREAM Challenges (открытая интернет-платформа для исследователей с описанием научной проблемы, в которой могут принять участие все желающие). Задача была достаточно понятной: найти алгоритм, описывающий два набора данных – список химических параметров молекул и результаты психофизического исследования 2016 года. Затем участникам выдали некоторое количество данных, на которых они могли проверить и настроить свои алгоритмы до представления окончательной версии. Келлер смеется: «В этом и заключалась задача: я составил набор данных, мы разделили их на две части и половину предоставили участникам. И спрашивали: если одно вещество пахнет так, предскажите, как будет пахнуть другое». Результаты, полученные с помощью двух лучших алгоритмов, были опубликованы, но сами алгоритмы – нет.

Победителями стали биоинформатик Юйфэн Чжан, который также выиграл несколько конкурсов по подбору алгоритмов для описания наборов данных из самых разных областей, и Рик Геркин, о котором мы уже упоминали. Следует подчеркнуть, что статья Келлера от 2017 года – до сих пор самый удачный пример использования больших массивов данных в области обоняния; она служит отправной точкой для аналогичных проектов в будущем.

И все же алгоритм – не объяснение. Статья «Предсказание восприятия запахов человеком на основании химической структуры молекул запаха» – важный пример поиска данных и подтверждение ряда существующих гипотез о значении элементов химической структуры. Однако коэффициент корреляции в этом исследовании был сравнительно низким – 0,3. Так что проект DREAM Challenges не привел к расшифровке кода носа.

На результаты работы, отчасти из-за привлекательности подхода с использованием больших массивов данных, обратили внимание научные журналисты, такие как писатель Эд Йонг[274]. Кроме того, исследование вызвало осторожную критику со стороны экспертов, в частности, Эйвери Гилберта. Беспокойство Гилберта касается не этого конкретного исследования, а компьютерного подхода к исследованиям обоняния в целом. Он указывает на отсутствие психологической теоретической базы. Словесное описание – это субъективный критерий для формирования перцептивных категорий. Обзор Гилберта показывает, насколько все еще разобщена эта сфера деятельности, поскольку биоинформатики в нейробиологии моделируют ощущение запаха почти в полном отрыве от когнитивной психологии.

Гилберт подчеркивает, что обонятельное пространство остается пространством неизвестного: «Если кто-то хочет предсказать, какие молекулы могут пахнуть сандаловым деревом или лимоном, ему нужно заново протестировать все 476 молекул на других 49 участниках с помощью нового списка идентификаторов, а затем вернуться к компьютерному моделированию с новым набором данных»[275]. И почему взяли именно эти девятнадцать описаний? Воссхолл отвечает: «Причина, почему мы использовали в работе эти девятнадцать, в том, что мы просто не смогли применить большинство других 127 идентификаторов к молекулам, с которыми работали. Я уверена, что можно использовать другие». По мнению Гилберта, проблема также в том, что «полезные термины из области обоняния относятся к разным уровням когнитивной классификации». В ответ Келлер и Мейер подчеркивают, что цель работы 2017 года не выходила за пределы конкретного исследования. Она заключалась в том, чтобы подобрать компьютерные методы и продемонстрировать их применимость для создания одорантов, а не в том, чтобы теоретически объяснить обработку обонятельной информации. И они сделали именно это.

Моделирование обоняния на основании связей между структурой молекул и их запахом имеет теоретическое оправдание. Проблемы возникают в экспериментальной нейробиологии. Биология – это не набор данных, которые нужно извлечь с помощью алгоритма. Биологическая организация – это экспланандум (феномен, который требуется объяснить), тогда как алгоритмы помогают в выведении эксплананса (самих объяснений).

По этой причине Фаерштейн считает эти новые методы эвристикой, а не объяснением: «Возможно, здесь есть ценная информация. Я думаю, что исследования, основанные на машинном обучении – хороший путь». Но предупреждает: «Они публикуются как конечные результаты, но таковыми не являются. Они построены на артефактах. Это сплошь ложноположительные результаты». Неправильно было бы отвергать то, что возможно найти связь между структурой молекул и их запахом с помощью алгоритмов машинного обучения, но пока они не работают. Очень важно понять, почему это так.

В большинстве компьютерных моделей к биологии относятся как к условному промежуточному звену, соединяющему химию стимула с человеческим восприятием. Мейнленд полагает, что это осуществимо: «Если вы хотите во всех подробностях изучить один рецептор и понять, как он реагирует на конкретный запах, это прекрасно. Но это огромный труд. Вместо этого можно использовать такой подход [как DREAM Challenges], где вы берете молекулу и изучаете, какие ее признаки соответствуют восприятию. Теоретически при достаточном количестве данных вы узнаете ровно то, что узнал Стюарт. Вы используете другой набор свойств, но вы в конечном итоге можете вывести все, что вывел он». Помолчав, Мейнленд продолжает: «Хотели бы вы в итоге понять, что делают рецепторы? Безусловно. Можно это представить себе, не глядя на рецепторы? Да, можно. Нам не нужно знать, что делают рецепторы, чтобы вообразить, как перенести структуру на восприятие. Современные модели это делают. И работают относительно хорошо. С помехами, но работают. Вам не нужно знать всю последовательность шагов, чтобы сделать прыжок. Они могут оставаться в черном ящике[276]».

Келлер соглашается: «Я думаю об этом, как о треугольнике: молекулы и стимулы, затем картина активации рецепторов, затем результат восприятия. На основании физико-химических свойств можно предсказать, какие рецепторы активируются, а потом, в зависимости от активированных рецепторов, предсказать воспринимаемый запах. Вы просто исключаете промежуточное звено и перешагиваете через черный ящик с рецепторами».

Геркин делает еще один шаг вперед: «Мы уже многое знаем об этих рецепторах. Мы знаем, сколько их. Мы примерно знаем, как некоторые из них настроены, и знаем кое-что о том, как они взаимодействуют с луковицей. Но, с моей точки зрения, все это можно выкинуть в помойку. Теорию обонятельного восприятия можно построить, не зная ничего из этого. Моя гипотеза в том, что, используя психофизику и проведя измерения, можно сделать строгие предсказания относительно большого перцептивного пространства – какова его форма и как в нем смешиваются стимулы». Возможно, этот оптимизм преждевременен. И туда ли он нас ведет?

Заключение рецепторов в черный ящик грозит провалом. Даже самые мощные инструменты не могут решить проблему адекватности теории – проблему последствий выбора предпосылок и критериев оценки. Рассмотрим другой пример. Представим, что мы используем жесткие морфологические критерии для определения механизмов наследования. Такая модель будет основана на корреляции, а не на причинности. Закономерности связи структуры и запаха, полученные с помощью классической химии или больших массивов данных, аналогичным образом удаляют из системы биологию – причинный фактор отбора признаков и их интеграции обонятельной системой. Моделирование этих закономерностей, каким бы методом оно не осуществлялось, предлагает введение в гипотезу, но не реальный механизм. Закономерности связи структуры и запаха не совпадают с принципами обработки стимула и восприятия.

Очень важно четко прояснить это различие. Химию стимулов часто считают синонимом кодирования запахов. Хороший пример – проницательная статья Йонга о проекте DREAM Challenges «Ученым не удается реверсивный анализ запаха». Если вы читаете внимательно, то обнаруживаете, что недостает одного понятия – рецепторов. В большинстве популярных отчетов о проблеме моделирования обоняния ничего не говорится о рецепторах, которые взаимодействуют с химическими стимулами и определяют отбор признаков. Но рецепторы – это ключ к пониманию того, как обонятельная система превращает молекулярные свойства в информационную картину на уровне нейронов. Как в нашем примере с наследованием: здесь в качестве решения мы выбрали морфологическое описание без учета механизма передачи, определяющего единицы наследования.

Мейнленд сформулировал критический вывод: «Единственный случай, в котором важно [учесть биологию], это когда вы извлекаете из биологии то, чего нет среди используемых нами вещей». Есть ли у нас веские причины считать, что знание биологии приведет к другой модели стимула в кодировании запахов?

На самом деле такие причины есть.

Черный ящик биологии

Все начинается с рецепторов. Их значение для теорий кодирования запахов переоценить невозможно. В Главе 2 говорилось о том, что обонятельные рецепторы – это рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCRs), которые располагаются на ресничках обонятельных нейронов назального эпителия. Клетки распределены в эпителии случайным образом (хотя некие зоны экспрессии генов в эпителии существуют)[277]. Эти клетки постоянно изменяются по мере отмирания и обновления рецепторов. Обонятельная система постоянно осуществляет оборот чувствительных клеток. (Эпителий – единственная часть тела, где нервные клетки встречаются с внешним миром, и это прекрасная мишень для инфекции. Если бы эпителий непрерывно не возобновлялся, после двух или трех простуд мы бы не чувствовали никаких запахов.)

По мнению Грира, именно в этом особенность обоняния: «Представьте себе, что это единственный отдел центральной нервной системы, где популяции сенсорных нейронов регулярно погибают и заменяются новыми популяциями сенсорных нейронов, которые затем правильным образом отправляют свои аксоны в правильную часть обонятельной луковицы, чтобы встретиться с другими похожими аксонами». То, что система непрерывно обновляется, определяет ее взаимодействие с непостоянными и непредсказуемыми стимулами. Зона контакта, в которой нос сканирует запахи, постоянно находится в состоянии строительства. И это не единственный необычный признак.

Обонятельные рецепторы в зоне контакта с внешней средой активно структурируют входные сигналы – в такой степени, что дальнейшие рассуждения об отражении запахов на уровне нейронов необходимо начать с рассказа о рецепторах и их связывающей активности, по аналогии с моделью входных сигналов в зрительной и слуховой системах (см. главу 5). Хотя все чувствительные клетки действуют избирательно, обонятельные рецепторы выделяются на общем фоне по нескольким причинам.

Во-первых, существует зависимость стимула от рецептора, то есть то, что система может делать со свойствами физических стимулов. Цветовое зрение имеет дело с электромагнитными волнами, а это стимулы с низкой размерностью. Рецепторные клетки, колбочки, настроены на специфические участки спектра видимого света. Их рецепторы действуют по принципам сложения и вычитания в сочетании друг с другом. Это приводит к модели прямой зависимости между стимулом и свойством, скажем:

Красная часть видимого спектра имеет длину волн примерно от 390 до 700 нм.

Такая модель позволяет осуществлять расчеты цветовых сочетаний:

«Белый» минус «зеленый» дает «розовый».

Хотя рецепторы запахов тоже настроены на специфические признаки и действуют комбинаторным образом, на этом сходство заканчивается. Физические характеристики молекул запахов значительно отличаются от характеристик зрительных сигналов и не поддаются таким расчетам. Обонятельные стимулы имеют многомерное молекулярное строение. Пространство стимулов и рецепторов в обонянии не определяется суммированием, как в системах зрения или слуха.

Это различие можно ярко проиллюстрировать на примере альдегидов, особенно нециклических. Нециклические альдегиды могут иметь углеродную цепь разной длины (эти органические соединения очень популярны в парфюмерии; Chanel № 5 – это первые духи, созданные почти полностью из синтетических веществ, в частности, из ряда альдегидов). Альдегиды с разной длиной цепи имеют разный запах. Альдегид С8 имеет жирный запах, альдегид С10 – цитрусовый, а альдегиды с более длинной цепью пахнут цветами. Однако в отличие от цвета и длины волны кумулятивная модель не позволяет связать число атомов углерода с качеством запаха. Кроме того, невозможно применить химические закономерности для альдегидов к другим нециклическим одорантам, например, к спиртам с разной длиной цепи (бутанол с цепью из четырех атомов углерода имеет аптечный запах, гексанол с цепью из шести атомов углерода пахнет зеленью, а октанол с цепью из восьми атомов углерода – пряностями).

Кодирование запаха не укладывается в предсказательную модель «стимул – реакция» типа «любой одорант с углеродной цепью С8 при добавлении еще одного углерода приобретает запах черешни». Это совсем не так. Важнейшее различие между стимулами с низкой размерностью в зрительной или слуховой системе и многомерными стимулами обонятельной системы в том, что в последнем случае аддитивная шкала[278] не отражает механизм кодирования.

Грир сравнивает кодирование на уровне рецепторов в системах обоняния и слуха: «Полагаю, вы согласитесь, что, поскольку базилярная мембрана обеспечивает непрерывность ответа на все звуки от высокой до низкой частоты, здесь тоже существует возможность для комбинаторного кода. Когда вы берете музыкальный аккорд, вы стимулируете разные части мембраны, что приводит к восприятию музыки». Но в кодировании обонятельного стимула нет переходов в диапазоне какого-то одного ключевого признака. «Есть непрерывный ряд звуков, которые вы можете нанести на карту, – добавляет Фаерштейн. – В обонянии такого непрерывного ряда нет. Нет непрерывного перехода между альдегидами и кетонами. Или какими-то другими химическими группами или классами молекул».

Любая модель, цель которой – создание карты, связывающей перцептивное обонятельное пространство с пространством стимулов, должна учитывать, что кодирование запаха не линейное или кумулятивное. Рецепторы запахов взаимодействуют с несколькими тысячами разных параметров молекул, не имеющих какой-либо непрерывной связи или шкалы. Следовательно, не существует универсального способа разделить физическое пространство одорантов «в местах сочленения», как длина волн видимого света или слышимые частоты. Обонятельные рецепторы «осмысляют» примерно пять тысяч параметров частиц, включая стереохимическую конфигурацию, молекулярную массу, гидрофобность, функциональные группы, полярность, кислотность и так далее. Вот что подразумевается под многомерностью пространства стимулов.

Обонятельные рецепторы определяют спектр химических свойств, которые транслируются в виде сигнала. Однако они не расщепляют стимулы на однородные регулярные фрагменты, как это делают колбочки глаза. Вы не найдете групп рецепторов для каких-то специфических химических свойств, скажем, одну группу для углеродной цепи и другую – для полярных поверхностей. Рецепторы выбирают разные свойства. Более того, они различаются по диапазону выбираемых свойств (и сочетаний свойств). Скажем, у вас есть рецептор, реагирующий на молекулы с кольцевой структурой с полярной поверхностью, но только определенного размера, а не на любые кольцевые структуры с полярной поверхностью. А теперь перемножьте эти сочетания сотни или даже тысячи раз! Химические признаки определяют пространство стимула. Но они не соотносятся равномерно со всеми рецепторами. Такое мозаичное кодирование объясняет, почему некоторые данные могут соответствовать моделям, связывающим структуру молекул с их запахом. Но не подтверждает возможность предсказания таких закономерностей.

Если диапазон восприимчивости колбочек к длине волны определяет цвет, почему поведение обонятельных рецепторов не определяет запах? Нейробиологи соглашаются, что формирование обонятельного образа строится на картинах активации рецепторов[279]. Однако остается неясным, действительно ли эти картины соответствуют традиционным принципам химии запахов. Может ли изучение поведения рецепторов опровергнуть предпосылки к модели «стимул – реакция»?

Да, может. В двух исследованиях, проведенных в лаборатории Фаерштейна в 2016 и 2018 годах, были сделаны попытки ответить на один простой вопрос: так ли рецепторы классифицируют стимулы, как это делают химики?[280] Химики классифицируют молекулы запаха в соответствии с важными химическими группами и функциями. А группа Фаерштейна регистрировала ответы рецепторов (этот подход в фармацевтике называют медицинской химией). Идея эксперимента проста, но никто раньше до нее не дошел. «Это придумала Зита, – комментирует Фаерштейн, имея в виду своего бывшего постдокторанта Зиту Петерлин. – Я думаю, она видит эти химические структуры, как никто другой. Почти как в фильме «Игры разума». В этих молекулах она видит такие закономерности, которых не видит никто».

Эрван Пуаве, продолживший работу Петерлин после ее ухода в компанию Firmenich, объясняет идею: «Органическая химия оперирует такого рода данными: какая функциональная группа у этой молекулы? Каков ее размер? Какова ее длина? Сколько двойных связей, полярная она или неполярная? Все это разные параметры. И именно по ним химики классифицируют молекулы. Но может быть, это совсем не подходит для биологических систем, таких как система обоняния. Может быть, рецепторам все равно, кислота это или эфир. Допустим, у вас есть альдегид и спирт. С точки зрения химии это разные вещи. Но для обоняния важно, что в обеих молекулах есть кислород с двойной связью. Может быть, рецептор настроен именно на это. Может быть, ему все равно, водород там находится или еще один углерод».

Исследователи из группы Фаерштейна вводили в мышиный эпителий разные молекулы и регистрировали и анализировали ответ рецепторов, чтобы проверить, соответствуют ли предпочтения рецепторов по отношению к стимулам представлениям органической химии. Оказалось, что нет. Обонятельные рецепторы не реагировали на химические особенности стимулов так, как реагировал бы квалифицированный химик. Это означает, что рецепторы действуют по своим правилам. Без знания деталей биологии рецепторов использование больших массивов данных для поиска связи между структурой молекул и их запахом оказалось бессмысленным.

На рис. 6.1 показано, насколько по-разному химики и рецепторы классифицируют химические свойства одорантов. В верхней части рисунка представлены одоранты, среди которых в соответствии с принципами органической химии самыми похожими являются молекулы 3 и 5, за ними следуют молекулы 6, 2, 1, и наконец, 4. В нижней части рисунка показано, что для рецепторов самые похожие – молекулы 5 и 6. При этом молекулы 1 и 2 тоже формируют группу по сходству, отдельно от молекул 5 и 6, а молекулы 3 и 4 ближе к группе молекул 5 и 6, чем к группе молекул 1 и 2. «Мы решили изучить молекулы, которые довольно сильно различаются по химическому строению, – объясняет Пуаве. – Мы взяли циклические молекулы с бензольными или гетероароматическими кольцами, чтобы посмотреть, есть ли между ними нечто общее. И то, как они классифицируются химиками, очень сильно отличается от того, как мы классифицируем их после взаимодействия с нейронами».

На самом деле эксперимент был сложнее, чем описано выше. Пуаве смеется: «У нас в чашках Петри были чувствительные обонятельные нейроны. Мы вводили в ткань одоранты, один за одним. Каждый раз, когда какой-то нейрон реагировал, мы могли видеть это с помощью кальциевого сенсора GCaMP [флуоресцентного белка с очень высокой чувствительностью к активности кальция в клетках]. Мы обнаружили клетки, которые реагировали только на одну молекулу, на две молекулы и на все молекулы. Недурственный набор! Мы проверили несколько свойств. Хотя все вещества были кетонами [речь идет об исследовании 2016 года, в 2018 году это были эфиры], они различались числом атомов углерода в кольце, полярностью и, что более интересно, площадью полярной поверхности кольца». (Площадь полярной поверхности – это сумма поверхностей полярных атомов, таких как азот, кислород и водород.)

РИС. 6.1. Иерархический группирующий анализ эфиров. Сходство молекул запаха. Левое дерево отражает сходство между кетонами, установленное методами аналитической химии. Правое дерево показывает сходство, выявленное обонятельными рецепторами. Эти две схемы химического сходства значительно различаются (объяснение в тексте). Источник: приводится с модификациями из статьи Poivet et al., Functional Odor Classification through a Medical Chemistry Approach, Science Advances 4, no. 2 (2018), fig. 3 CC BY-NC.

Выясняется, что обонятельные рецепторы не обращают внимания на законы аналитической химии. «В первую очередь классификация [кетонов] для их разделения в рамках органической химии, – комментирует Пуаве, – была бы основана на размере кольца, а во вторую – на его составе. Есть ли там атом азота, кислорода, серы? И в результате у нас были бы подсемейства в большом семействе пяти– или шестичленных углеродных циклов». Но у рецепторов другие предпочтения. «Классификация в обонянии очень сильно отличается. Размер вообще не играет роли. И состав кольца не играет роли. По-настоящему важным параметром оказывается площадь полярной поверхности. То, где в трехмерной структуре вашего кольца имеется электрический заряд, решает, примет ли нейрон одорант в качестве лиганда или нет».

Если не вдаваться в технические подробности, исследование Пуаве и Фаерштейна выявило две важные вещи. Во-первых, выяснилось, что приоритет и иерархия свойств, по которым химики и рецепторы определяют химическое сходство, различаются. Некоторые свойства, которые выделяет классическая химия, оказались малозначимыми для рецепторов. Химики и рецепторы по-разному решают вопрос об определении структурного сходства молекул запаха. Во-вторых, рецепторы отвечают на такие химические свойства, которые не были предсказаны и даже не рассматривались в предыдущих исследованиях с привлечением больших массивов данных.

Пуаве подтверждает: «То, что мы увидели, должно наблюдаться в том случае, когда у вас есть обонятельный рецептор, который принимает молекулы с самой маленькой площадью полярной поверхности, молекулы с самой большой площадью полярной поверхности, а также со всеми промежуточными размерами площади, во всяком случае, в отношении этих циклических молекул. Размер неважен, в частности, размер кольца. Это достаточно интересно, поскольку только на основании органической химии вы не могли такое предсказать!»

Выходит, биологическое осмысление химического сходства отличается от химических идеалов. И это меняет подход к созданию теории восприятия запахов. Как в криптографии: для расшифровки кода нужен правильный ключ, все остальное – бессмысленный набор звуков, даже если из них складывается несколько осмысленных предложений. Чтобы понять, что отражает сигнал нейронов, нужно знать, какие свойства стимула кодирует сигнал. Вот вам аналогия. Когда физик дает определение гравитации, важно знать, трактует он это понятие согласно теории Ньютона или теории Эйнштейна. Однако для Ньютона гравитация представляла собой силу в рамках абсолютного времени и пространства (как раздельных понятий), а Эйнштейн определил гравитацию как искривление пространственно-временного континуума. Теперь, когда мы создаем модель химического сходства в обонянии, следует вспомнить об этом как об аналогичном сдвиге парадигмы.

И эти два принципа показывают, почему биология запаха – не черный ящик, через который химия стимула связана с восприятием. Но у обонятельных рецепторов есть еще одно важное свойство, которое в конечном итоге определяет представление запаха на уровне нейронов.

Слепой гомункулус

Мозг отражает то, что ему показывают рецепторы. Он не «видит» конфигурацию внешних сигналов, а имеет дело только с сигналами из эпителия. Следовательно, информационные единицы – отдельные сигналы, осуществляющие функцию кодирования при формировании образа восприятия – определяются механизмами и характером поведения рецепторов, а не хемотопией[281] внешнего раздражителя.

Сигнал, поступающий в мозг, формируется в соответствии с двумя главными механизмами: комбинаторным кодированием и ингибированием. Комбинаторное кодирование расщепляет информацию физического стимула на несколько независимых сигналов. Ингибирование означает, что одни части стимула подавляют активность других (в результате ответ рецепторов на смесь веществ не является суммой ответов на сигналы отдельных компонентов). Эти механизмы, взятые вместе, делают понятие хемотопии (как нейронного представления топологии внешнего стимула) несостоятельным.

Последствия комбинаторного кодирования в передаче сигнала и картине активации нейронов двоякие. Во-первых, сигнал недоопределенный[282] из-за пересечений и наложений. Несколько одорантов взаимодействуют с одним рецептором, и наоборот[283]. Кроме того, рецептор может активироваться под действием разных элементов молекулы. Следовательно, активность рецептора не отражает специфические свойства или микроструктуру молекулы стимула. Во-вторых, еще большая неоднозначность сигнала вызвана неодинаковыми предпочтениями рецепторов при связывании. Мало того что существуют рецепторные коды для разных типов химических признаков, в сочетаниях они имеют разные диапазоны настройки. Рецепторы каждого типа реагируют на определенный набор свойств. Некоторые рецепторы настроены взаимодействовать со множеством одорантов и молекул с разными свойствами. Другие обладают высокой специфичностью и реагируют на меньшее число свойств. Чтобы разобраться, какую информацию и в каком диапазоне передает рецептор, нужно понимать его поведение.

На уровне рецепторов внешний сигнал полностью зашифрован. Скажем, рецептор типа R1 распознает специфическую функциональную группу одоранта, а рецептор типа R2 распознает только линейные структуры с углеродной цепью определенной длины (например, от четырех до шести атомов углерода). На этом уровне информационное содержимое обонятельного стимула расщепляется в поле рецепторов на несколько фрагментов. Вся эта активность рецепторов смешана в едином пространстве.

Комбинаторное кодирование имеет большое значение для кодирования смесей. Это значит, что в естественных условиях одоранты в разных сочетаниях могут перекрываться в рецепторах, которые активируют. Это важно учитывать, когда вы анализируете восприятие смесей. Фаерштейн объясняет: «Вы добавляете смесь [подвергаете ткань воздействию смеси стимулов] и видите, что активируется целый ряд клеток. Затем вы наносите каждый запах отдельно и смотрите, какие клетки активируются. Конечно, если вы сравниваете суммарное количество клеток, реагирующих на отдельные запахи, с количеством клеток, реагирующих на смесь, последнее будет меньше». Фаерштейн предупреждает об ограниченности применения мономолекулярных стимулов. «Обычно мы используем мономолекулярные. Разъедините клетки [отделите их от стенок посуды и выделите из клеточных скоплений], подействуйте запахом и смотрите, что активируется. Добавьте другой запах, и вы увидите иную картину. Но это очень неестественно, поскольку все запахи в мире, которые мы ощущаем, представляют собой смесь до нескольких сотен веществ».

Общая теория кодирования запаха должна строиться на принципах восприятия смесей. Дело в том, что содержащаяся в стимуле информация на уровне рецепторов уже не связана с отдельными молекулами запаха как дискретными внешними объектами. Активация клеток эпителия проявляется в виде пространственной картины. Эти картины активации распределены случайным образом и перекрываются. В результате мы имеем поле, соответствующее сочетанию признаков, причем активность, вызванная одним стимулом (одорантом О1), по топологии неотделима от активности, вызванной другими стимулами (скажем, одорантами О2 и О3), действовавшими одновременно с О1. Информация дистальных стимулов зашифрована в едином пространстве, так что интерпретация обонятельных сигналов зависит от механизмов действия сенсорной системы, а не от внешней конфигурации стимулов.

В итоге мозг не может идентифицировать отдельные компоненты смеси по суммарной картине активации рецепторов. Представьте себе картину активации рецепторов R1-R2-R3-R4. В принципе, за счет комбинаторного перекрывания этот рисунок может быть вызван разными наборами молекул. На рис. 6.2 показано, как это могло бы выглядеть. Действительно, при распознавании смесей рецепторы не в состоянии однозначно идентифицировать отдельные компоненты.

РИС. 6.2. Гипотетический пример комбинаторного кодирования запахов на уровне рецепторов. Картины активации рецепторов (R) под действием смеси одорантов О1 и О2 и смеси одорантов О1 и О3 перекрываются. Аналогичным образом перекрываются картины воздействия смесей, состоящих из одорантов О2 и О3 и одорантов О1 и О4. Источник: © Ann-Sophie Barwich.

Возникает интересный вопрос. Как мозг узнает, с какими веществами он имеет дело? Проведем аналогию с ситуацией, описанной в романе «Флатландия»[284][285]. Флатландия – это вымышленный двумерный мир с двумерными обитателями. Однажды жители Флатландии увидели трехмерный предмет, движущийся через их двумерное пространство. В плоском мире встреча с трехмерным предметом отражается в виде двумерной картины. Теперь представьте себе пространство рецепторов как аналог этого мира, а мозг – как аналог жителя Флатландии, наблюдающего за этой картиной. Представьте себе, что через Флатландию движется сферический предмет, например мяч. Сначала это маленькая точка, которая сначала постепенно разрастается до круга, а потом опять превращается в маленькую точку и исчезает. Теперь представьте перемещение другого предмета, например вращающегося волчка. Он начинает двигаться точно таким же образом! Глядя на плоскость Флатландии, нельзя сказать, является ли двумерный рисунок отображением сферы или вращающегося волчка. В обонянии та же ситуация: картина активации рецепторов, формирующая образ запаха, может быть вызвана наборами разных молекул. Смеси разных одорантов могут создавать одну и ту же картину активации. Подождите-ка, скажете вы. Безусловно, комбинаторика рецепторов подразумевает, что некоторые смеси могут создавать перекрывающиеся картины активации. И все же теоретически отдельные компоненты смеси можно идентифицировать, исключая двойную активацию на уровне рецепторов. Наверное, сделать это не очень просто, но можно. Некоторая неоднозначность при этом сохранится, но общую теорию кодирования запаха для отдельных молекул запаха вывести легче, чем иметь дело со смесями. Однако для мозга это нетривиальная задача, так как проблема осмысления рассредоточенных сигналов на уровне рецепторов на этом не заканчивается, поскольку одоранты в смеси могут блокировать действие друг друга.

Такое подавление стимулов на уровне рецепторов не встречается в других системах чувств. Возможно, это уникальная особенность обоняния. Нет данных, что такое происходит со зрением или слухом. Насколько известно, такого не бывает со вкусовыми или тактильными ощущениями или в какой-то иной сенсорной модальности. «Я не знаю никакой другой сенсорной системы, где бы такое происходило, – восхищается Фаерштейн. – Фотоны зеленого света активируют зеленые колбочки, но при этом не подавляют синие или красные колбочки. Существует антагонизм цветов и все такое прочее, но это уже потом, верно? – Он указывает на свою голову. На уровне рецепторов такого механизма нет. – Фотон красного света с достаточно высокой интенсивностью может слегка активировать колбочки зеленого света. Но он их не блокирует, никакого подавления тут нет».

Действительно ли на самом первом этапе кодирования запаха может происходить подавление? Результаты недавнего исследования, проведенного в лаборатории Фаерштейна, показывают именно это[286]. В большинстве исследований фокус внимания сместился на важные вопросы, касающиеся обработки сигналов центральной нервной системой, однако в лаборатории Фаерштейна продолжают анализировать рецепторы. Фаерштейн считает, что функции рецепторов еще недостаточно изучены. «И мы начали заниматься смесями», – рассказывает он. Но как понять, блокируют ли запахи друг друга, или просто их действие по активации рецепторов перекрывается в результате комбинаторного кодирования? Фаерштейн поясняет, что какую бы смесь вы не наносили на эпителий, «результат будет меньше, чем при суммировании действия отдельных компонентов. Поскольку некоторые рецепторы видят два или три признака, и происходит двойной подсчет».

Ответ был получен с появлением удивительного нового микроскопа SCAPE[287]. SCAPE расшифровывается как swept confocally-aligned planar excitation (сканирующий конфокальный оптическо-плоскостной микроскоп). Фаерштейн смеется: «Это просто удачное сокращение. По сути, это вариант микроскопии плоскостного освещения. Но с ускоренным сканированием, так что в образце ткани вы очень быстро можете зафиксировать много клеток – а это действительно значительное улучшение». SCAPE обеспечил новые экспериментальные возможности для получения терабайтов информации. Он дал возможность сканировать живых существ целиком, например, движущуюся муху: ученые направляют в ее сторону какие-то запахи и наблюдают за ее мозгом в действии. Так же точно можно сканировать фрагменты тканей размером больше мухи или личинки, например, срезы мозга мыши. Новое в этом приборе то, что он позволяет сканировать срезы неповрежденных тканей и при этом регистрировать активность отдельных клеток – и то и другое с невероятно высокой скоростью и высоким разрешением.

«У нас на чашке был полурассеченный препарат головы [мыши], – рассказывает Фаерштейн, – через который мы осуществляли перфузию[288] и могли получать изображение эпителия на большой глубине. Мы могли углубляться на расстояние вплоть до 180 микрон или около того. Но мы также могли видеть каждую клетку. При желании вы можете получать разрешение на уровне единичных клеток. Это как сочетание исследования отдельных клеток и электрокоагулографии[289]». С помощью SCAPE можно устанавливать, какие клетки специфическим образом реагируют на конкретный запах, и соответственно различать картины активации. И все это – в неповрежденной и активной ткани, а не в разъединенных клетках или фиксированных срезах мозга. Фаерштейн замечает: «С такой возможностью логично было проанализировать смеси, чтобы увидеть код». Аспирант Фаерштейна Лу Сюй собрал прекрасный набор данных. Теперь можно посмотреть на срез ткани и увидеть, как весь образец реагирует на стимул.

Было сделано два неожиданных открытия. Первое: молекулы запаха действовали и как агонисты, и как антагонисты[290] рецепторов. «Кажется, один компонент смеси работает не только в качестве агониста, но и в качестве антагониста того или иного рецептора», – рассказывает Фаерштейн. Это означает, что одорант О1 может изменять активность рецептора таким образом, что клетка, активированная другими запахами, скажем, одорантами О2 или О3, проявляет более низкую активность или вовсе не проявляет ее под действием смесей О1 и О2 или О1 и О3. Более того, молекула О1 становится антагонистом не сама по себе, но лишь в сочетании с другими специфическими молекулами запаха (которые также могут выступать антагонистами для других молекул). Следовательно, антагонизм зависит от конкретного сочетания одорантов в смеси и не является характеристикой некоего запаха как такового. Фаерштейн подтверждает: «Мы проверили несколько смесей и не нашли ни одного вещества, которое выступало бы только как агонист или только как антагонист».

Эффект подавления при восприятии смесей запахов был известен из психофизических исследований[291]. Однако этот эффект не связывали с каким-либо механизмом. Возникает ли он на периферии и/или в центральной нервной системе? Ранее несколько раз сообщалось об эффекте подавления на уровне обонятельных рецепторов[292]. Теперь всех удивило его повсеместное распространение. Явление касалось не одного или нескольких необычных рецепторов. «Это довольно широко распространено! – подчеркивает Фаерштейн. – Мы обнаружили, что в смеси трех молекул одоранта (когда вы проверяете три запаха раздельно, а потом их смесь) мы можем наблюдать ингибирование порядка 20 % или 25 %. Это много. Например, если вы посмотрите на клетки, которые активируются преимущественно цитралем, а затем посмотрите на активность этих клеток в смеси запахов, вы обнаружите, что вплоть до 20 % активности подавляется».

Второй сюрприз имел еще более значимые последствия. В смесях был обнаружен не только ингибирующий, но и активирующий эффект. Активация означает, что некоторые клетки, не реагирующие или почти не реагирующие на отдельные молекулы запахов, внезапно демонстрируют активный ответ на смесь молекул. Фаерштейн знает, что это важно. Он признает, что поначалу не видел в этом смысла. Но пока я работала над книгой, его исследование продолжалось. Вскоре после того, как я отправила рукопись в печать, Фаерштейн написал, что они нашли объяснение этому эффекту: дело в аллостерическом взаимодействии. В общих чертах суть механизма в том, что лиганд (такой как одорант) связывается в специфическом участке рецептора (в так называемом аллостерическом участке), изменяя тем самым активность рецептора. Иными словами, одоранты изменяют связывание рецептора с другими одорантами. Например, рецептор R1 не связывается с отдельно взятым одорантом О1. Но если О1 присутствует в смеси с О2, молекула О2 связывается в аллостерическом центре рецептора и изменяет его активность таким образом, что он связывает молекулу О1. Лу Сюй и Фаерштейн проверили несколько вариантов смесей с равными и неравными концентрациями компонентов. И эффект усиления воспроизводимо повторялся.

Аллостерические взаимодействия хорошо известны в фармакологии, но никогда ранее не наблюдались в отношении рецепторов GPCRs. Лу с коллегами нашли ответ на загадку: «Возможно, не следует удивляться, что этот эффект оставался нераскрытым для других GPCRs класса А [один из шести классов GPCRs, сгруппированных на основании гомологии последовательностей и функционального сходства], поскольку они составляют очень маленькое семейство по сравнению с семейством обонятельных рецепторов и среди них гораздо меньше вариаций»[293]. Действительно, размер и генетическое разнообразие семейства обонятельных GPCRs, а также структурное разнообразие их лигандов делает их прекрасной моделью для изучения других GPCRs, что чрезвычайно важно для фармакологии и создания лекарств.

Но в чем функциональный смысл механизмов активации и подавления в кодировании запахов? Лу с коллегами предполагают, что они нужны для опознания и идентификации компонентов сложных смесей. Рассмотрим эффект комбинаторного кодирования в обонянии: «Если учесть, что любая молекула запаха в некоей средней концентрации может активировать от трех до пяти рецепторов, то смесь всего лишь десяти запахов может занять до 50 рецепторов, а это более десяти процентов семейства человеческих рецепторов. Это приведет к сокращению различий между двумя смесями десяти схожих веществ». В результате вы не сможете опознавать запахи при сравнении более сложных смесей (часто содержащих несколько десятков или даже сотен одорантов). Картины активности нейронов становятся все менее и менее четкими; это также связано с перекрыванием чувствительности рецепторов. Как мозг дифференцирует разные сложные смеси, учитывая этот невероятный уровень активации рецепторов и перекрывание картин активации? Нужно понизить активность рецепторов, чтобы улучшить опознание разных сложных сочетаний. Для этой цели и нужны механизмы подавления и активации.

Таким образом, эти открытия демонстрируют сдвиг парадигмы в поисках теории кодирования запаха. Они показывают, что рецепторный код для смесей коренным образом отличается от кода для отдельных молекулярных стимулов. Идея линейной и аддитивной комбинаторной модели кодирования запаха, как в случае слуха и зрения, полностью рухнула. Нельзя расшифровать обонятельный код, не понимая поведения рецепторов.

Значительная степень неопределенности заложена в модель кодирования запаха по комбинаторной схеме. Разные смеси одорантов могут создавать одну и ту же картину активации рецепторов, а это означает, что пространственное распределение обонятельных сигналов не позволяет однозначно идентифицировать запахи в смесях. Сравните эту идею с известным тезисом из области философии науки о «недоопределенности теории опытом», который был сформулирован французским физиком Пьером Дюэмом и расширен американским философом Уиллардом ван Орманом Куайном[294]. Тезис гласит, что один и тот же набор данных можно объяснить с привлечением разных и даже противоречащих друг другу теорий. Таким образом, одни и те же наблюдения могут быть интерпретированы совершенно иначе в зависимости от прочтения. Например, тот факт, что солнце встает на востоке и садится на западе, вполне совместим и с геоцентрической, и с гелиоцентрической моделью Вселенной: одни данные, разные модели. Теперь мы увидели, что ситуация аналогична и для комбинаторного кодирования запахов на уровне рецепторов. Так как же мозг узнает, что на самом деле происходит за пределами носа? Как нос может точно передать, с какими запахами он встречается? И в чем могла бы заключаться функция такого неопределенного кодирования?

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

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

Где молекулярная наука встречается с парфюмерией

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

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

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

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

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

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

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

Восприятие некоторых компонентов смеси через какое-то время подавляется из-за избирательной адаптации, так что неадаптированные элементы становятся более заметными[297].В результате одна и та же смесь воспринимается иначе в зависимости от того, сколько времени человек ее нюхает. Кроме того, скорость адаптации у людей разная. Томас Хеттингер считает, что избирательная адаптация объясняет, как наша обонятельная система настраивается на восприятие запахов в составе смесей. «Допустим, мы берем смесь из трех компонентов, а затем добавляем в нее четвертый. Сначала несколько минут мы нюхаем смесь из трех компонентов; мы «адаптируемся» к этому фону. Затем мы сразу же нюхаем смесь с четвертым компонентом. Четвертый компонент воспринимается на фоне трех других компонентов. Так можно выделять информацию об отдельных компонентах смеси». Хеттингер подчеркивает: «Сочетание подавления и избирательной адаптации позволяет распознавать компоненты смеси». Кодирование смесей – это тот уровень, на котором химия встречается с психологией через биологию. Фрэнк соглашается: «Комбинированные исследования хорошо известных психофизических явлений «подавление в смесях» и «избирательная адаптация» обеспечивают экспериментальный контроль над естественной работой обонятельной системы».

Во-вторых, есть вычислительное масштабирование обонятельной информации с рецепторов. В него входит измерение «сколько» и «в какой пропорции». Для оценки химической информации в контексте обонятельная система сначала разбивает отобранную информацию на множество фрагментов и лишь затем создает образ запаха. Этот образ, как нам теперь известно, не является суммой молекулярных частей запаха. Как мозг вычисляет образ запаха смеси из многих отдельных компонентов? Ключ опять в кодировании смесей.

Вычисление образа запаха зависит от соотношения, в котором система находит одоранты в смеси. Недавние исследования показали, что обонятельная система взвешивает соотношение запахов для обнаружения закономерностей. Хеттингер и Фрэнк анализировали показатели концентрации, используя представление о значении активности запаха (odor activity value, OAV)[298].Параллельно они работали с химиком Винченте Феррейра из университета Сарагосы[299]. Фрэнк объясняет: «Этот параметр определяется как отношение концентрации одоранта к его пороговому значению. Исходя из небольшого числа допущений, мы заключили, что отношение вероятностей идентификации (P1/P2) приблизительно равно отношению значений активности запахов (OAV1/OAV2). Это преобразование важно, поскольку позволяет установить вклад компонентов в смесях ароматов, которые часто описываются через значение активности запаха».

Определяет ли соотношение запахов образ запаха? Терри Экри представил дополнительные экспериментальные доказательства. В его лаборатории воссоздали аромат картофельных чипсов с помощью лишь трех ключевых молекул[300]. Выполненный Экри синтез сложного запаха из нескольких основных одорантов не позволил сформулировать упрощенное объяснение запаха и свести характеристику запаха к нескольким физическим параметрам. Ни одна из составляющих его молекул не имеет запаха картофельных чипсов: метилмеркаптан пахнет тухлой капустой, метиональ – картофелем, а 2-этил-3,5-диметилпиразин – поджаренным хлебом. Важный вывод таков, что конфигурационный образ «картофельных чипсов» зависит не только от списка компонентов, но и от соотношения ключевых одорантов.

Калибровка и масштабирование – неотъемлемая часть измерений. Они чрезвычайно важны и для кодирования запахов, поскольку связывают восприятие с молекулярными причинами запаха. Соотношение компонентов в смеси – еще одно важное условие, известное из парфюмерии (см. главу 9), а также из биологии. Стивен Мангер отмечает: «Сложные смеси химических веществ очень строго определяются не только составом, но и пропорцией компонентов. Обонятельная система должна разделить их, чтобы идентифицировать отдельные составляющие, но сделать это так, чтобы сохранить ключевые свойства смеси в образе, поступающем в мозг. Этот образ кодируется нервной системой так, чтобы животное могло избрать правильную поведенческую реакцию».

Итак, в основе кодирования и вычисления качества запаха может лежать не только «что» входит в смесь, но и «в каком соотношении». Какие нейронные механизмы позволяют обонятельному мозгу принять сигнал и действовать в таком ключе, чтобы отбирать и измерять, а затем отображать и отмечать на карте изменчивый состав химического окружения?

Топология нейронного отображения

Кодирование на уровне рецепторов показывает, что мозг создает модель обонятельного стимула иначе, чем химик-аналитик создавал бы модель молекулы. Чтобы понять принципы отображения запаха нейронами, нужно выйти за пределы хемотопического представления стимулов. Исследования механизмов кодирования смесей, описанные в данной главе, демонстрируют сложную картину. Но мозг как-то должен понимать, что попадает в нос. Картина активации рецепторов – не единственный и не окончательный ответ. Каким-то образом мозг организует эту обширную мозаику активности рецепторов. После уровня рецепторов активность нейронов по кодированию смесей не выстраивается в виде какой-либо понятной карты, отражающей соотношение стимулов и ответов. Обонятельные стимулы нельзя отложить на аддитивной шкале, поскольку их кодирование и вычисление не суммируются ни в луковице (см. главу 7), ни уж тем более в обонятельной коре (см. главу 8). С точки зрения мозга одна и та же картина активации рецепторов, наблюдаемая им, может создаваться разными отдаленными объектами (физическими стимулами).

То, как мозг интерпретирует картину активации рецепторов, становится интригующей загадкой. Вопрос уже не сводится к тому, как мозг узнает, скажем, что цис-3-гексенол пахнет свежескошенной травой. Вопрос уже в том, как мозг осмысляет перекрывающуюся и недискретную активность рецепторов, возникающую в ответ на обонятельные стимулы. Иными словами, как мозг превращает рассредоточенную активность рецепторов в картину на уровне нейронов и в образ восприятия? По какому принципу мозг осмысляет мозаичные данные, отражающиеся на уровне рецепторов? Эти вопросы подводят нас к анализу обонятельного мозга, чему посвящены две последующие главы.

Ящик Пандоры открылся.