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

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:

a = n

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

Такая модель позволяет осуществлять расчеты цветовых сочетаний:

x – y = z

«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