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

где сравнили нейронные сети обонятельной луковицы и таламуса»[309]. В статье говорилось, что нейроны этих структур имеют одинаковые связи и одинаковые свойства. Кей надеется, что ученые, занимающиеся таламусом, заинтересуются тем, что обнаружили в обонятельной луковице, в ее нейронных сетях. «Мы в большей степени, чем те, кто занимается таламусом, можем предсказать, что изменит систему и каким образом».

Без понимания механизма обработки информации соотношение структуры и функции остается недоопределенным. Возможно, такой механизм не требует топографической организации. Пространственная активность луковицы должна отражать вычислительные принципы этого механизма и связь с другими данными.

Основные элементы анатомии луковицы были открыты в конце XIX века: в 1875 году Камилло Гольджи опубликовал морфологическое описание клеток обонятельной луковицы собаки[310]. Опробовав новый метод окрашивания серебром, Гольджи представил элегантное изображение луковицы – первый полностью прокрашенный образец целого отдела мозга. На Рис. 7.2 представлено описание луковицы, сделанное Гольджи в мельчайших подробностях. Немедленно обращают на себя внимание многочисленные слои луковицы. Это область, «густозаселенная» клетками разных типов. Сначала идет гломерулярный слой (А на рисунке Гольджи), где заканчиваются все обонятельные нервы из эпителия. Ближе к митральным клеткам располагаются более мелкие пучковые клетки, которые получают обонятельные сигналы через свои дендриты, проникающие в клубочки, и отправляют далее в кору (слой B).

Но прежде чем эти сигналы отправляются в кору, они подвергаются локальной обработке в луковице. Так что в луковице мы уже не имеем дела с исходной картой рецепторной активности. Локальная обработка заключается в латеральном ингибировании, подразумевающем, что возбужденные клетки могут подавлять соседние клетки (понижать их активность). Это полезное свойство для любой системы, в которой бывает необходимо предотвращать неконтролируемую активацию. В результате за счет отделения активных клеток от неактивных или менее активных отображение сигнала на уровне нейронов уточняется. Такой же механизм реализуется в системе зрения и в других сенсорных системах.

РИС. 7.2. Окрашивание обонятельной луковицы собаки, выполненное Гольджи и отражающее наличие в луковице разных слоев. Мы видим (A) гломерулярный слой со сферическими структурами нейронов; (B) слой крупных митральных клеток с пучками дендритов, включая горизонтально расположенные клетки, которые теперь называют пучковыми клетками; (C) толстый гранулярный слой, простирающийся до коры. Источник: C. Golgi, Sulla fina struttura del bulbi olfattorii, Rivista sperimentale di freniatria e medicina legale 1 (1875): 405–425; репринт (Reggio-Emilia: Printer Stefano Calderini 1985).

На первый взгляд происходящее в луковице напоминает происходящее в сетчатке. За латеральное ингибирование в луковице отвечают нейроны особого типа – гранулярные клетки (слой С). В отличие от типичных нейронов, у гранулярных клеток отсутствуют аксоны. У них есть лишь тело (сома) и дендриты (как у амакриновых клеток сетчатки; см. глава 2). Эти дендриты перекрывают расстояние между митральными клетками, чтобы координировать их активность. Гранулярные клетки мелкие, но их много; каждая митральная клетка окружена примерно сотней гранулярных клеток. Гранулярные и митральные клетки формируют петли, которые Шеферд назвал «микросетями»: митральные клетки возбуждают гранулярные клетки, которые, в свою очередь, подавляют митральные клетки. Эта последовательная самоподавляющаяся активность в луковице происходит за счет дендро-дендрических взаимодействий, без участия аксонов.

Непосредственно после первого синапса происходит много событий. Как будто луковица живет в своем ритме, не подчиняясь потоку информации, посылаемой рецепторами. Теперь интересно рассмотреть микросети, поскольку они определяют как пространственные картины активации, так и временные последовательности в передаче сигналов в луковице.

Рассматривая структуру луковицы в подробностях, мы обнаруживаем несколько типов клеток разной формы, размера и назначения. В частности, «оболочка» клубочков состоит из юкстагломерулярных клеток (небольших вставочных нейронов, являющихся главным узлом сообщения между чувствительными или двигательными нейронами и центральной нервной системой). Кроме «первой сети» митральных и пучковых клеток, мы обнаруживаем целый зверинец вставочных нейронов в разных клеточных слоях луковицы, включая перигломерулярные клетки (PG), внешние пучковые клетки (ET) и клетки с короткими аксонами (SA). Эти клетки из разных микросетей участвуют в передаче сигналов внутри клубочков и между клубочками. Изучение вставочных нейронов луковицы продолжает преподносить сюрпризы (так недавно было установлено, что клетки с короткими аксонами, возможно, являются первым типом вставочных нейронов, сообщающихся с уровнем клеток, принимающих входной сигнал)[311].

Как понимание структуры микросетей связано с функциональным устройством луковицы и проблемой преобразования стимула? Эти подробности важны для понимания того, как информация от рецепторов «тормозится», «встраивается», «синхронизируется» и «усиливается» в разных структурах клеточных слоев луковицы (что выясняется благодаря тщательному изучению микросетей луковицы в исследованиях Майкла Шипли, Захари Мейнена, Берта Закмана, Гари Вестбрука, Бена Стоубриджа, Джеффри Исааксона, Томаса Клеланда, Марка Ваховяка, Натана Урбана, Гордона Шеферда, Чарлза Гира и других ученых). Иными словами, какая информация, поступающая от рецепторов, отображается в активности луковицы? Как взаимодействуют одновременно активированные клубочки (и связано ли их перекрестное действие с топографией)? Определяется ли пространственный рисунок активности луковицы в большей степени входящим стимулом или процессами параллельных вычислений (такими как ингибирование или нисходящие сигналы), так что одна и та же молекула запаха в разных условиях может вызывать разные картины активации?

Представьте, что вы используете смесь одорантов A и B. Вне зависимости от эффектов подавления сигнала на уровне рецепторов, следующий вопрос в том, подвергается ли сигнал смеси A+B, разбитый на несколько отдельных сигналов на уровне рецепторов, линейной или нелинейной рекомбинации. На Рис. 7.3 изображен гипотетический сценарий. Давайте предположим, что в индивидуальном виде одорант A активирует специфическую группу клубочков {G1—G8}. Так же действует одорант B, который, как и одорант A, активирует клубочек G1 {G1; G9—G13}. При смешивании одорантов картина их действий может быть либо аддитивной {G1—G13}, либо селективной, например, {G1; G6; G9; G10; G13}. Оба варианта возможны, и результат будет зависеть от таких факторов, как ингибирование или слабость некоторых сигналов, не способных преодолеть пороговое значение.

РИС. 7.3. Два возможных механизма интеграции стимула при обработке сигнала смеси в обонятельной луковице. Смеси могут быть представлены либо линейным сложением активности клубочков (справа вверху), либо селективным сочетанием их активности (за счет механизма ингибирования) (справа внизу). Источник: P. Duchamp-Viret et al., Olfactory Perception and Integration, in Flavor: From Food to Behaviors, Wellbeing and Health, ed. P. Etrévant et al., Series in Food Science, Technology and Nutrition (Cambridge, UK: Woodhead, 2016) © 2016 Elsevier Ltd.

Однако картина активности луковицы – это еще не все данные, которые можно извлечь из анализа основных механизмов ее выражения.

Расщепляем луковицу

Замечательная способность луковицы – превращать активность рецепторов эпителия, кажущуюся разрозненной и случайной, в пространственно организованные кластеры, как отпечатки пальца, только «отпечатки мозга» для каждого запаха. Остановимся на этом на минуту. После