От рецепторов к ольфакторным образам

 

 

Запутанный клубок электрических проводов

 

Мы с вами пронаблюдали, как ольфакторное сообщение, закодированное в структурных параметрах молекул пахучего вещества, расшифровывается и переводится в электрические импульсы. Всем этим занимается сложная машинерия ольфакторных нейронов. Они представляют собой физический интерфейс между внешней средой и мозгом, или, если угодно, окошко из мозга в мир запахов. С тем же успехом их можно представить себе как команду высокопрофессиональных синхронных переводчиков, транслирующих химический текст в электрические сигналы, с помощью которых нейроны сообщаются друг с другом.

Теперь давайте последуем за этими сигналами по внутренней электропроводке от периферийных устройств к самому мозгу. Связи эти запутанны и многообразны; они постоянно перенастраиваются, чтобы включить новую, приходящую извне информацию, и поддерживают корреляции с данными, уже хранящимися в памяти. Об обработке и взаимодействиях ольфакторного сигнала с другими сигналами по пути к высшим областям мозга мы знаем очень мало – пока он вдруг не становится осознанным опытом. Чтобы понять, как все это происходит, нам нужна помощь других дисциплин, и не только биохимии, молекулярной биологии, нейробиологии и электрофизиологии, но также и психологии – чтобы соотнести физиологические данные с эмоциями и поведением, – и информатики с математикой – чтобы постичь логику, стоящую за хитросплетением нейронных связей, и язык, которым пользуется мозг, чтобы эффективно обрабатывать получаемые от носа данные.

Изучая ольфакцию на разных уровнях и понимая, какими стратегиями пользуется нервная система для обработки обонятельной информации, мы когда-нибудь сможем собрать искусственный аппарат, способный делать химический анализ окружающей среды в реальном времени – совсем как наш нос.

 

От носа к мозгу: первые шаги

 

Итак, давайте проследим, каким путем движется электрический сигнал от первичных ольфакторных нейронов к соответствующим областям мозга. Длинные хвостики ольфакторных нейронов, аксоны, проходят через этмоид (решетчатую кость), расположенную в верхней части носа, и оказываются в мозгу. Их цель – две ольфакторные луковицы, одна из которых находится слева, а другая справа. Они похожи на виноградные гроздья – маленькие бусинки-гломерулы, собранные в компактные структуры.

Любопытно, что все нейроны, экспрессирующие один и тот же ольфакторный рецептор и, следовательно, реагирующие на одни и те же запахи, сходятся к одним и тем же гломерулам. Представьте себе больше 1000 тонких проводков, идущих от сравнительно обширной области обонятельной слизистой, которые все сходятся в одну крошечную точку на обонятельной луковице. Теперь повторите эту проводную схему для нескольких сотен типов нейронов. Вы получили запутанный клубок проволоки, выглядящий как один большой сплошной хаос, в котором отдельные аксоны каждого нейрона отлично находят себе дорогу к правильным гломерулам, совершенно не нуждаясь ни в светофорах, ни в дорожных знаках.

Вы удивитесь еще больше, когда вспомните, что ольфакторные нейроны постоянно обновляются. Старые нейроны отправляются в утиль; стволовые клетки ольфакторного эпителия бесперебойно поставляют новые. Этим новорожденным нейронам полагается вырастить собственные аксоны и отправить их правильным путем формировать правильные связи. Ученые считают, что аксоны ведут к гломерулам все те же ольфакторные белки-рецепторы. Эти белки действительно присутствуют в аксонах, где, понятное дело, ни при каких обстоятельствах не могут войти в контакт со стимулами из окружающей среды.

Однако эта утонченная и эффективная система, разумеется, может дать сбой. В бытность мою в Калифорнии коллега рассказал мне один случай – это единственный известный мне кейс подобного рода.

В результате автокатастрофы у женщины сместился этмоид. Все аксоны ее ольфакторных нейронов, само собой, были оборваны, и в результате она полностью потеряла обоняние. Через несколько недель женщина начала выздоравливать, и обоняние к ней постепенно вернулось. Но лучше бы оно этого не делало: все запахи у нее теперь перепутались. Вообразите: смотреть на прекрасный стейк и обонять навоз или пить апельсиновый сок, который воняет тухлой рыбой. Впрочем, в конце концов леди поправилась полностью и заново обрела способность нормально интерпретировать запахи. До сих пор непонятно, сумели ли ее ольфакторные нейроны восстановить правильные связи или это мозг перепрограммировал сигналы согласно хранящейся в памяти информации.

 

Очень эффективное умножение

 

Одна из задач всей этой сложной машинерии – добиться значительного усиления периферийного сигнала, по меньшей мере в 1000 раз, путем огромного числа «входов» от индивидуальных нейронов. При этом сигналы становятся гораздо чище, так что распознавать удается даже самые слабые из них.

Работая со слабыми электрическими сигналами, мы обычно усиливаем их до желаемых пределов, однако вместе с ними усиливается и так называемый фоновый шум – рандомные сигналы, порождаемые инструментом, который по природе своей несовершенен и может спонтанно реагировать даже в отсутствие каких бы то ни было стимулов. Точно так же и ольфакторные рецепторы страдают от фонового шума, препятствующего распознаванию слишком слабых сигналов (то есть таких, чья «громкость» равна «громкости» шума). Если сложить вместе сигналы от тысяч нейронов, мы не только усилим сигнал, но и ослабим шум, что еще более важно. Когда пахучее вещество стимулирует много ольфакторных рецепторов определенного типа одновременно, спонтанные реакции становятся случайными и эти фоновые сигналы от индивидуальных нейронов начинают отменять друг друга.

Похожие тактики применяются при некоторых видах спектроскопии, когда один и тот же спектр записывается много раз, и все данные сводятся вместе, тем самым усиливая настоящие сигналы и уменьшая фоновый шум, характерный для любого электронного инструмента.

 

Визуализация связей

 

Возникает естественный вопрос: как можно представить себе эту сложную сеть контактов, о которой мы недавно говорили? Ответ – благодаря современным техникам молекулярной биологии, позволившим нам добавлять, удалять, изменять и соединять гены, получая в итоге трансгенные организмы с новыми характеристиками. Даже сегодня эти техники далеко не столь просты и прямолинейны, как нам бы хотелось, что уж говорить о 1990-х, когда Питер Момбертс, работавший в то время с Ричардом Акселем, сумел впервые выделить ген, кодирующий фермент, и связать этот ген с одним из 800 мышиных ольфакторных рецепторов.

Ему удалось получить трансгенную мышь, у которой всякое появление определенного ольфакторного рецептора сопровождалось и выделением фермента [13]. Чтобы увидеть фермент, а вместе с ним и его специфический рецептор, достаточно было добавить к сегменту ольфакторного эпителия химическое вещество, окисляемое этим ферментом, – оно становилось синим и оттого видимым. В результате на поверхности ольфакторного эпителия появлялись очень тонкие синие линии, которые затем устремлялись к мозгу, проходили сквозь решетчатую кость и сливались в точку на обонятельной луковице (см. рис. 29). Еще более впечатляющая картина получилась, когда удалось присоединить ген флуоресцентного белка (ЗФБ: зеленого флуоресцентного белка) к гену, кодирующему ольфакторный рецептор. Сеть связей теперь можно было увидеть даже на свежей ткани, просто осветив образец ультрафиолетовым светом.

У насекомых, несмотря на радикально другую архитектуру антенн и сенсилл по сравнению с ольфакторной слизистой позвоночных, связи организуются примерно по той же схеме.

Значительная часть переднего мозга насекомых занята антенными, или обонятельными долями, – эквивалентом ольфакторных луковиц, тоже состоящим из собрания гломерул. Ричард Аксель и его группа взяли плодовую мушку Drosophila melanogaster  и воспроизвели модель связей, очень похожую на мышь Питера Момбертса. На основании обширного пакета данных было установлено правило, одинаковое для позвоночных и насекомых, что всякий ольфакторный нейрон экспрессирует только один тип ольфакторного рецептора и что все нейроны, показывающие один рецептор и, следовательно, реагирующие на один запах, сходятся к одной гломеруле.

 

Ольфакторный образ в обонятельной луковице

 

Исходя из этого допущения (в значительной степени подтвержденного экспериментально), можно с помощью воображения воспроизвести карту ольфакторных ответов на уровне луковицы и даже представить себе некий образ для каждого типа запаха. Насколько же сложна будет такая карта? На этот вопрос легко ответить – благодаря технике, позволяющей клеткам загораться светом в ответ на стимул.

 

Рисунок 29.  Визуализация нейронных связей между ольфакторной слизистой и ольфакторной луковицей. Питер Момбертс вывел трансгенную мышь с геном, кодирующим фермент, связанный только с одним из почти 1000 ольфакторных рецепторов. Всякий раз при экспрессии рецептора присутствовал и фермент, а его активность регистрировалась химическим маркером синего цвета. Так исследователям удалось визуализировать сложную систему связей от крошечных точек слева (это концы ольфакторных нейронов, выходящие во внешнюю среду) до одной-единственной точки справа (на нее указывает стрелочка), в которой сливаются все сигналы. Провода (длинные аксоны ольфакторных нейронов) проходят через решетчатую кость (белая зона справа) и входят в мозг, где их ждет первая остановка на пути – ольфакторные луковицы.

 

Прохождение ионов кальция вследствие открытия соответствующего ионного канала можно увидеть с помощью вещества-датчика, связывающего кальций, которое становится флуоресцентным только в этой связанной форме. Иными словами, можно стимулировать назальный эпителий мыши или антенны насекомого определенным запахом и наблюдать за поведением гломерул ольфакторной луковицы, или обонятельной доли, оросив их каплей датчика. Так мы получим реальную картину физиологического восприятия запаха. Джованни Галиция, тогда работавший в Берлинском университете, первым применил этот метод к обонянию и получил изумительные изображения обонятельной доли медоносной пчелы, реагирующей на разные запахи [14].

Но даже с сотнями гломерул, как у той же мыши, мы все еще не в состоянии справиться со всем многообразием и сложностью запахов окружающего нас мира. Невозможно упростить схему до «данный одорант стимулирует один тип рецептора и включает одну гломерулу». На самом деле практика показывает достаточно сложный паттерн активации, где одни гломерулы реагируют сильнее других, а многие не реагируют вообще. Воспринимаемый нами запах прописан в сложную маршрутную карту, где почти каждая гломерула делает свой небольшой вклад.

В главе первой мы рассуждали о том, сколь сложна должна быть система наблюдения за химической картиной реальности. Еще мы сравнили обонятельную систему с двумя другими, зрительной и слуховой, а именно с восприятием цвета и звука. Цветовое зрение демонстрирует пример очень эффективного различения огромного количества вариаций на базе всего лишь трех сенсоров; слух при этом работает с тысячами разных рецепторов, каждый из которых настроен на определенную длину волны. Для обонятельной системы характерны черты и той и другой. У нее есть множество рецепторов, помогающих распознавать компоненты сложносоставной смеси (жареного мяса, вина или духов), но, чтобы справляться с огромным количеством ароматических молекул, имеющихся в природе, ей приходится соразмерять интенсивность реакции каждого рецептора и настраивать пропорции для различения разных типов запахов, как это делает цветовое зрение.

Что же происходит, когда ольфакторный стимул состоит не из молекул одного типа, а, как это обычно бывает, из десятков или даже сотен компонентов, каждый из которых требует внимания? Насколько нам известно, каждое химическое вещество создает свою собственную матрицу отклика, а затем все матрицы накладываются друг на друга, порождая финальный комплексный ольфакторный образ. Мы все равно можем воспринимать, скажем, аромат вина в целом. Но если при этом мы пожелаем уделить более пристальное внимание своим ощущениям, наш обонятельный аппарат сумеет выделить из него частные компоненты, возможно, даже отдельные химические соединения и уж наверняка – разные ольфакторные качества-ноты.

Такой режим доступен только с комплексной ольфакторной системой млекопитающих; насекомые с их парой десятков типов рецепторов воспринимают обонятельную картину мира менее детально и более расплывчато. Зато у них есть другие ресурсы. Насекомому гораздо важнее найти себе правильного партнера и отличить самку своего вида от самки другого, испускающего феромоны с похожей химической структурой. И, хотя общая работа обонятельной системы насекомого может быть довольно примитивной, рецепторы, настроенные на работу с его собственными видовыми феромонами, примечательно точны, аккуратны и чувствительны. В обонятельной доле у насекомых находятся гломерулы, специализирующиеся именно на феромонах, – и нередко они даже крупнее других по размеру. Кодирование в таких случаях обычно более целевое, и каждый феромон активирует всего одну или две гломерулы.

Однако далее возникает вопрос: что же происходит за геркулесовыми столпами обоняния – за обонятельными луковицами? Пока что мы знаем об этом очень мало. Лишь немногие отважные исследователи до сих пор вторгались в эти таинственные области, где чисто ольфакторные послания мешаются с другими сенсорными импульсами. Первые воспоминания о запахах, бродящие где-то в потаенных глубинах мозга, вызывают эмоции, порождают поведенческие реакции, и все это в разной степени зависит от нашей личности, опыта и культуры. Вот так все сложно устроено у нас, людей.

 

Часть IV

У самых пределов фантазии

 

10

Наука или магия?