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

комбинаторного хаоса на уровне рецепторов луковица выглядит как точная карта для каждого запаха – прямой путь от активности рецепторов к нейронному представлению. В научной литературе эту организацию принято называть картой стимулов, по аналогии со зрительной системой. Химические свойства стимулов отражаются на карте в виде картин пространственно определенной активности нейронов. Теоретически разные картины активности должны соответствовать разным свойствам стимулов. Является ли луковица такой картой, отображающей молекулы запаха или химию запаха? К сожалению, все не так просто.

На карте мы пытаемся обнаружить либо упорядоченное представление некоторых физических свойств внешней среды, либо некий результат их вычисления. Карта запахов должна отражать поступающие сигналы тем или другим образом. В случае луковицы возможны три интерпретации такой карты: ринотопичпеское (систематическое отражение расположения рецепторов), одотопическое (четкая пространственная активность, соответствующая одорантам) и хемотопическая (пространственное отражение химических свойств одорантов)[312].Но даже на интуитивном уровне непонятно, возможна ли хотя бы одна из этих интерпретаций.

В отличие от обзорной литературы, указывающей на «хемотопический» или «топографический» характер организации луковицы, у специалистов по обонянию нет установившегося мнения. «Я никогда не был в этом [в наличии карты запахов] полностью уверен, – сообщает Фаерштейн, – поскольку, честно говоря, не могу представить, как бы выглядела такая карта. Что вы нанесете на карту связи луковицы и запахов, поместите ли вы альдегиды рядом с кетонами или расположите между ними эфиры? Мы не можем ответить, поскольку пока нет рационального основания».

«Я не думаю, что карта луковицы что-то означает, – отвечает Линда Бак. Она считает, что луковица отображает пространственное расположение рецепторов. – Однако я думаю, что ее связь с восприятием или с чем-то еще весьма неопределенная. Я долгое время считала, что организация луковицы могла возникнуть косвенным путем за счет механизмов развития, которые эволюционировали таким образом, чтобы сводить нейроны с одинаковыми рецепторами к одному синапсу. Это может быть выгодно, чтобы позволять сигналам низкой интенсивности от тысяч нейронов интегрироваться в гораздо меньшее количество нейронов луковицы. Возможно, это важно для чувствительности определения запахов в низкой концентрации, но сама по себе карта ничего не означает».

Бывший постдокторант Фаерштейна Мэтт Роджерс из компании Firmenich играет роль адвоката дьявола: «Я думаю, в луковице реализуется хемотопическая карта. Но, возвращаясь к точке зрения Стюарта, мы возвращаемся и к вопросу, в чем ее назначение. Видите ли, я учился у Стюарта, я выпил почти весь его запас Кул-Эйда[313], – смеется Роджерс. – Я думаю, что мы перестали верить в функциональное содержание хемотопической карты по той причине, что мы еще не видели ее в чистом виде». И проясняет: «Я называю это хемотопической картой, поскольку читал статьи и это осталось в моей голове в качестве способа описания. Но я полностью согласен [с критикой]: я не знаю, карта ли это… Возможно, это не карта. Но если не карта, то что?»

«Я думаю, это вопрос семантики, – включается Чарли Грир. – Нет сомнений, что аксоны от сенсорных нейронов с одним и тем же рецептором запаха сливаются в клубочках и располагаются как минимум по соседству в обонятельной луковице. Я воздержусь от того, чтобы называть это топографической картой, но в этом есть некая специфичность».

Есть несколько причин, чтобы отбросить идею о карте запаха во всех трех интерпретациях. Вопрос о хемотопии уже рассматривался в главе 6, где было показано, что механизмы действия рецепторов не являются отражением химической топологии. Однако принципы связывания сигналов с рецепторами в эпителии отличаются от механизмов, определяющих организацию клубочков в луковице. Может ли быть, что строение луковицы коррелирует с химической топологией молекул запаха? Ответ на этот вопрос тоже отрицательный. Многомерные стимулы и даже часть их свойств нельзя отразить на плоской поверхности луковицы[314]. Это относится как к млекопитающим, так и к насекомым. Результаты исследования насекомых были совершенно однозначны на этот счет[315].Не существует определенного пространственного расположения химических признаков, типа «альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там». В активности клубочков есть химическая специфичность, но это не хемотопия[316].

А что можно сказать о ринотопии (по аналогии с ретинотопией в зрительной системе)? Хотя в луковице выявлены некие неопределенные генетические зоны, ее организация совершенно не сопоставляется с топографией зрительной системы. Особое свойство ретинотопии зрительной системы в том, что соседние клетки имеют похожие рецептивные поля. И это на самом деле ключ ко всей ее репрезентативной организации (см. глава 2). На первый взгляд может показаться, что это справедливо и для луковицы. Кажется, что каждая молекула запаха имеет «отпечаток пальца» – специфическую характеристику активности. Кроме того, клубочки, активируемые конкретными стимулами, по-видимому, собраны в кластеры. Однако если смотреть внимательнее, выясняется, что соседние клубочки схожи в своих реакциях не больше, чем отдаленные, особенно при исследовании разных запахов, а не нескольких похожих классов[317]. В частности Джон Карлсон из Йельского университета показал на мухах, насколько разнообразны локальные ответы гломерулярных кластеров[318]. К тому же активация гломерулярных кластеров похожими запахами не «непрерывная», она происходит с «пробелами»[319].

Не исключено, что правильный ответ – одотопия. Эта версия кажется наиболее обоснованной. Если отдельные молекулы запахов имеют «отпечатки пальцев» в луковице и существует хоть какое-то перекрывание в ответах кластеров клубочков на похожие запахи, тогда пространственная активность луковицы может быть организована не по принципу соседства, но представлять собой грубую, распределенную, но все же дискретную карту характерного образа. Этого мнения придерживается Шеферд, а также Венкатеш Мерти из Гарварда[320]. Такая карта была бы функциональной. Однако данная модель имеет одно критическое условие. Чтобы такую картину считать функциональной картой, она должна быть стереотипной, то есть общей для представителей вида или даже представителей разных видов.

Стереотип функциональности подразумевает, что картина может быть случайной (не имеет значения, какой сигнал где отражается), но должна быть воспроизводимой (определенный сигнал точно или почти точно проявляется в этой точке во всех случаях). Иными словами, функциональность встроена в систему, она представляет инвариантное пространственное отражение вычислительных принципов, включая латеральное ингибирование. Так как же луковица узнает, где разместить клубочки? В конечном счете, стереотипная организация должна быть генетически предопределенной.

Органические системы часто имеют структуры, которые не обязательно связаны с конкретной функцией, но просто отражают ход развития. Может быть, это справедливо и для обонятельной луковицы? Тем или иным образом сигнальная активность клубочков связана с молекулярными особенностями одорантов, и луковица представляет собой нечто вроде рецептивного поля обонятельной системы. Несмотря на это, луковица в первую очередь отражает активацию рецепторов, а не химию стимулов. Томас Хеттингер соглашается: «Это не карта запахов. Это карта рецепторов». Очень важное уточнение, означающее, что строение луковицы определяется генетикой рецепторов. Дальнейший анализ того, как развивались исследования карты