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

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

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

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

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

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

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

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

Стереотипное отражение

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

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

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

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

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

Логично предположить, что аксоны обонятельных нейронов делают то же самое, протягиваясь по предопределенному химическому следу