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

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