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

клубочков. Но клетки притягиваются друг к другу. Они образуют пучки и затем движутся дальше, а когда достигают свободного участка в луковице, закрепляются там и начинают формировать клубочек. А затем вокруг них формируется все остальное, превращаясь в клубочки, все другие клетки, которые участвуют в создании клубочков».

Фаерштейн и Цзоу проверили эту гипотезу[328]. Наблюдая за развитием мозга совсем молодых мышей, они увидели разные стадии созревания луковицы. Эти стадии развития не соответствовали модели стереотипного расположения клубочков. Скорее выяснилось, что пространственное расположение клубочков основано на сенсорном опыте, полученном в процессе созревания.

Следует обратить особое внимание на два открытия, сделанные в ходе этих исследований. Во-первых, у молодых животных клубочки не всегда гомогенны. На ранних этапах развития формируются гетерогенные кластеры, то есть эти ранние клубочки состоят из нейронов с разными рецепторами. Во-вторых, аксоны не просто вместе удлиняются, останавливаются и сливаются в клубочки, как предполагалось ранее. Сначала аксоны распределяются по разным местам. А затем клубочки выравниваются, и их активность уточняется.

Как объясняет Цзоу, недостаток ранних исследований луковицы в том, что в них чаще наблюдали за взрослыми животными: «Предыдущая работа показала, что на самых ранних стадиях развития очень мало клубочков, может быть, всего несколько сотен. Позднее это количество увеличивается примерно до двух тысяч с каждой стороны луковицы. То есть происходит постоянное добавление клубочков». Однако сам Цзоу видит иначе: «По моему мнению, образование клубочков идет непрерывно. Не все задано раз и навсегда. Скорее, это динамический процесс. Не все зафиксировано с самого начала». Цзоу отмечает, что, вопреки устоявшемуся мнению, у очень молодых животных может быть больше, а не меньше клубочков, чем у более взрослых. «Я был сильно удивлен. В то время люди думали, что если вы видите два клубочка [вместо одного], это просто помехи. Так что поначалу я счел, что… что-то получилось неправильно. Окрашивание прошло неверно. Но потом я наблюдал это вновь и вновь. И я подумал, что так оно и есть».

Нет химического притяжения. Нет гомогенности в формировании клубочков. Несколько клубочков в одном месте. Все эти наблюдения вкупе подрывали идею о заранее заданной сенсорной топографии. Однако эти удивительные данные из области развития не вызвали общего интереса у ученых, занимающихся обонянием, поскольку они переключились на создание компьютерных моделей кодирования запахов. Как следствие, неадекватные представления о стереотипном строении луковицы и о хемотопии в значительной степени продолжают влиять на современные исследования луковицы.

Отсутствие интереса к механизмам развития можно объяснить двумя причинами. Во-первых, большинство исследований луковицы проводятся на мозге взрослых мышей. Безусловно, строение зрелой луковицы выглядит стереотипно; корреляция между структурой и функцией здесь очевидна. Зрелая луковица выглядит так, как если бы аксоны двигались напрямую к генетически предопределенным точкам. Как если бы, по словам Фаерштейна, «существовало химическое вещество, привлекающее аксоны». Во-вторых, Грир обращает внимание на пренебрежительное отношение к исследованиям в сфере биологии развития в целом: «Исторически так сложилось, что немногие ученые следили за развитием [системы]». В результате предположение о стереотипной организации луковицы редко ставится под сомнение. Цзоу соглашается: «Во многих случаях люди, которые выполняли большую часть генетических манипуляций, не имели нейробиологического образования. И поэтому их не очень интересовали вопросы развития». Одной из серьезнейших проблем исследований обоняния всегда была междисциплинарная раздробленность.

Чтобы понимать функционирование луковицы, чрезвычайно важно учитывать процесс развития, поскольку он определяет активность нейронов. Вопрос о том, какие элементы сенсорной системы заранее заданы, а какие развиваются по мере накопления опыта, занимал важное место и при изучении зрительной системы. В системе обоняния формирование клубочков полностью зависит от генетики рецепторов и механизмов развития. Цзоу подтверждает: «Только если вы вникнете в детали, вы поймете, что обонятельная система довольно сильно отличается от остальных».

Понятно, что развитие луковицы происходит с вариациями. Но окончательная структура, по-видимому, характеризуется постоянным расположением клубочков и воспроизводимой картиной активации запахами. Нет ли в луковице устойчивых картин, неких «отпечатков пальцев» для каждой молекулы одоранта даже у разных представителей вида?

Тщательный анализ показывает, что ни локализация, ни функциональная активность в зрелой луковице изначально не стереотипные. «Если посмотреть внимательно, – рассказывает Фаерштейн, – клубочки не всегда оказываются на одном и том же месте. Они могут быть сдвинуты на пять или восемь диаметров, но находятся в одной и той же части луковицы»[329]. Это противоречит данным обзорной литературы, где луковицу обычно называют «стереотипной», «константной», «топографически заданной», «топографически определенной», «топографически стереотипной», «расположенной стандартным образом», «имеющей точный стереотип», «инвариантной», «пространственно инвариантной», «заданной» или «почти неизменной»[330].

В 2015 году Момбертс вновь затронул эту тему, спросив: «Насколько точно это точное расположение?»[331]. Удивительно, но этот вопрос не вызвал большого интереса. В лаборатории Момбертса было обнаружено, что ответ определяется клубочками. Вариабельность расположения клубочков оказалась значительнее, чем было принято считать. Кроме того, проверив шесть типов клубочков, исследователи установили, что вариации неравномерны. Расположение одних клубочков изменчиво в большей степени, чем других. Один из способов понять это – посмотреть, связаны ли как-то изменения в расположении клубочков с общим диапазоном настройки разных рецепторов, экспрессируемых в сенсорных нейронах. Изучение генетики рецепторов уничтожает идею о существовании общего пространственного плана луковицы.

Грир быстро обнаружил еще одну проблему в объяснении кодирования запахов стандартным путем – через гетерогенную активность луковицы. Электрофизиологические исследования зрелой луковицы выявляют заметную вариабельность активации локальных сетей (о которых мы подробно говорили выше). «Если вы посмотрите на любой конкретный клубочек, в нем находится примерно от восьми до двенадцати митральных клеток. И они активируются по-разному. Вы действуете запахом и регистрируете активность двух митральных клеток из одного клубочка. Одна может реагировать, а другая нет. Или временная картина ответа может быть разной».

Электрофизиологические исследования сетей выявляют в луковице значительно более неоднородную картину активности, чем окрашивание и нейровизуализация клубочков. Среди факторов, серьезно влияющих на вариабельность реакции, особенно выделяются два.

Во-первых, активность луковицы у бодрствующих животных и у животных под наркозом разная. Кроме очевидного различия в том, как животные нюхают, под наркозом отсутствует афферентная[332] обратная связь и нисходящие факторы, такие как внимание, мотивация и предшествующий опыт. Следовательно, такие исследования основаны на искусственных моделях линейной сенсорной обработки сигналов от низших сенсорных областей к высшим. Но нельзя пренебрегать глубоким влиянием предыдущего опыта на активность клубочков луковицы. Натали Буонвизо с коллегами показала, что клетки крысы, долгое время (20 минут) находящейся под воздействием запаха, демонстрируют более низкую активность через 24 часа[333]. Кроме того, активность нетренированных крыс менялась ежедневно, как и мотивирующие факторы[334]. Иными словами, активность нейронов определяется опытом, тренировкой, мотивацией и другими факторами, влияющими на принятие решений