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

можно сканировать фрагменты тканей размером больше мухи или личинки, например, срезы мозга мыши. Новое в этом приборе то, что он позволяет сканировать срезы неповрежденных тканей и при этом регистрировать активность отдельных клеток – и то и другое с невероятно высокой скоростью и высоким разрешением.

«У нас на чашке был полурассеченный препарат головы [мыши], – рассказывает Фаерштейн, – через который мы осуществляли перфузию[288] и могли получать изображение эпителия на большой глубине. Мы могли углубляться на расстояние вплоть до 180 микрон или около того. Но мы также могли видеть каждую клетку. При желании вы можете получать разрешение на уровне единичных клеток. Это как сочетание исследования отдельных клеток и электрокоагулографии[289]». С помощью SCAPE можно устанавливать, какие клетки специфическим образом реагируют на конкретный запах, и соответственно различать картины активации. И все это – в неповрежденной и активной ткани, а не в разъединенных клетках или фиксированных срезах мозга. Фаерштейн замечает: «С такой возможностью логично было проанализировать смеси, чтобы увидеть код». Аспирант Фаерштейна Лу Сюй собрал прекрасный набор данных. Теперь можно посмотреть на срез ткани и увидеть, как весь образец реагирует на стимул.

Было сделано два неожиданных открытия. Первое: молекулы запаха действовали и как агонисты, и как антагонисты[290] рецепторов. «Кажется, один компонент смеси работает не только в качестве агониста, но и в качестве антагониста того или иного рецептора», – рассказывает Фаерштейн. Это означает, что одорант О1 может изменять активность рецептора таким образом, что клетка, активированная другими запахами, скажем, одорантами О2 или О3, проявляет более низкую активность или вовсе не проявляет ее под действием смесей О1 и О2 или О1 и О3. Более того, молекула О1 становится антагонистом не сама по себе, но лишь в сочетании с другими специфическими молекулами запаха (которые также могут выступать антагонистами для других молекул). Следовательно, антагонизм зависит от конкретного сочетания одорантов в смеси и не является характеристикой некоего запаха как такового. Фаерштейн подтверждает: «Мы проверили несколько смесей и не нашли ни одного вещества, которое выступало бы только как агонист или только как антагонист».

Эффект подавления при восприятии смесей запахов был известен из психофизических исследований[291]. Однако этот эффект не связывали с каким-либо механизмом. Возникает ли он на периферии и/или в центральной нервной системе? Ранее несколько раз сообщалось об эффекте подавления на уровне обонятельных рецепторов[292]. Теперь всех удивило его повсеместное распространение. Явление касалось не одного или нескольких необычных рецепторов. «Это довольно широко распространено! – подчеркивает Фаерштейн. – Мы обнаружили, что в смеси трех молекул одоранта (когда вы проверяете три запаха раздельно, а потом их смесь) мы можем наблюдать ингибирование порядка 20 % или 25 %. Это много. Например, если вы посмотрите на клетки, которые активируются преимущественно цитралем, а затем посмотрите на активность этих клеток в смеси запахов, вы обнаружите, что вплоть до 20 % активности подавляется».

Второй сюрприз имел еще более значимые последствия. В смесях был обнаружен не только ингибирующий, но и активирующий эффект. Активация означает, что некоторые клетки, не реагирующие или почти не реагирующие на отдельные молекулы запахов, внезапно демонстрируют активный ответ на смесь молекул. Фаерштейн знает, что это важно. Он признает, что поначалу не видел в этом смысла. Но пока я работала над книгой, его исследование продолжалось. Вскоре после того, как я отправила рукопись в печать, Фаерштейн написал, что они нашли объяснение этому эффекту: дело в аллостерическом взаимодействии. В общих чертах суть механизма в том, что лиганд (такой как одорант) связывается в специфическом участке рецептора (в так называемом аллостерическом участке), изменяя тем самым активность рецептора. Иными словами, одоранты изменяют связывание рецептора с другими одорантами. Например, рецептор R1 не связывается с отдельно взятым одорантом О1. Но если О1 присутствует в смеси с О2, молекула О2 связывается в аллостерическом центре рецептора и изменяет его активность таким образом, что он связывает молекулу О1. Лу Сюй и Фаерштейн проверили несколько вариантов смесей с равными и неравными концентрациями компонентов. И эффект усиления воспроизводимо повторялся.

Аллостерические взаимодействия хорошо известны в фармакологии, но никогда ранее не наблюдались в отношении рецепторов GPCRs. Лу с коллегами нашли ответ на загадку: «Возможно, не следует удивляться, что этот эффект оставался нераскрытым для других GPCRs класса А [один из шести классов GPCRs, сгруппированных на основании гомологии последовательностей и функционального сходства], поскольку они составляют очень маленькое семейство по сравнению с семейством обонятельных рецепторов и среди них гораздо меньше вариаций»[293]. Действительно, размер и генетическое разнообразие семейства обонятельных GPCRs, а также структурное разнообразие их лигандов делает их прекрасной моделью для изучения других GPCRs, что чрезвычайно важно для фармакологии и создания лекарств.

Но в чем функциональный смысл механизмов активации и подавления в кодировании запахов? Лу с коллегами предполагают, что они нужны для опознания и идентификации компонентов сложных смесей. Рассмотрим эффект комбинаторного кодирования в обонянии: «Если учесть, что любая молекула запаха в некоей средней концентрации может активировать от трех до пяти рецепторов, то смесь всего лишь десяти запахов может занять до 50 рецепторов, а это более десяти процентов семейства человеческих рецепторов. Это приведет к сокращению различий между двумя смесями десяти схожих веществ». В результате вы не сможете опознавать запахи при сравнении более сложных смесей (часто содержащих несколько десятков или даже сотен одорантов). Картины активности нейронов становятся все менее и менее четкими; это также связано с перекрыванием чувствительности рецепторов. Как мозг дифференцирует разные сложные смеси, учитывая этот невероятный уровень активации рецепторов и перекрывание картин активации? Нужно понизить активность рецепторов, чтобы улучшить опознание разных сложных сочетаний. Для этой цели и нужны механизмы подавления и активации.

Таким образом, эти открытия демонстрируют сдвиг парадигмы в поисках теории кодирования запаха. Они показывают, что рецепторный код для смесей коренным образом отличается от кода для отдельных молекулярных стимулов. Идея линейной и аддитивной комбинаторной модели кодирования запаха, как в случае слуха и зрения, полностью рухнула. Нельзя расшифровать обонятельный код, не понимая поведения рецепторов.

Значительная степень неопределенности заложена в модель кодирования запаха по комбинаторной схеме. Разные смеси одорантов могут создавать одну и ту же картину активации рецепторов, а это означает, что пространственное распределение обонятельных сигналов не позволяет однозначно идентифицировать запахи в смесях. Сравните эту идею с известным тезисом из области философии науки о «недоопределенности теории опытом», который был сформулирован французским физиком Пьером Дюэмом и расширен американским философом Уиллардом ван Орманом Куайном[294]. Тезис гласит, что один и тот же набор данных можно объяснить с привлечением разных и даже противоречащих друг другу теорий. Таким образом, одни и те же наблюдения могут быть