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

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