Текст книги "Нейрогастрономия. Почему мозг создает вкус еды и как этим управлять"

Глава 8
Запахи как лица

Если вам когда-либо обследовали мозг или иную часть тела с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), то вы знаете, что для нее вас помещают в центр большого круглого магнита. Эта технология была разработана в 1990-е годы. Как и в случае метода с использованием 2-деоксиглюкозы (2-ДГ), фМРТ работает благодаря локальным изменениям мозгового кровообращения, которое во многом зависит от энергетических запросов активных нервных клеток. Используемый для фМРТ магнит большой потому, что именно в его центр должен помещаться человек. Изначально аппараты фМРТ создавали достаточно слабое магнитное поле в 1–2 Тл (тесла – единица измерения силы магнитного поля), а позже появились аппараты с полем до 4 Тл. фМРТ позволяет делать снимки активности с разрешением примерно от 0,00006 до 0,00012 кубических дюймов (от 1 до 2 мм³), где-то с толстую часть грифеля карандаша; при таком качестве изображения можно разглядеть отдельные зоны мозга, но слои на нем не рассмотришь.

НОВЫЙ ПОДХОД: СХЕМЫ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ НА СНИМКАХ ФМРТ

Когда процедура фМРТ для людей еще находилась в разработке, для совершенствования этого метода аппаратного исследования и интерпретации результатов обычным делом было проведение сравнительного анализа между человеческими снимками и снимками мелких млекопитающих, например грызунов. Для фМРТ снимков грызунов используются маленькие магниты с диаметром центрального отверстия всего в несколько дюймов, и они гораздо мощнее, чем в «человеческих» аппаратах; сила создаваемого ими магнитного поля начинается от 11 Тл и позволяет получать снимки куда более высокого разрешения, приблизительно в 100 мкм (0.1 мм). Примерно такого же размера обонятельные гломерулы. Высокое разрешение снимков не единственное преимущество технологии фМРТ. Благодаря ему можно проверять реакцию на различные запахи, тратить меньше времени на стимуляцию и регистрировать более быстрые реакции.

Осознав, что эта технология подходит для изучения обонятельных схем активности, я понял, что пора действовать. Волею случая один из мировых центров разработки фМРТ, проводящий эксперименты на животных, находился в Йельском университете, двумя этажами ниже моей лаборатории. Мы с моим коллегой по проекту 2-деоксиглюкозы (2-ДГ) Чарльзом Гриром, встретились с руководителем программы фМРТ Робертом Шульманом и его коллегами Дугласом Ротманом и Фахмидом Хайдером и предложили им совместный проект, сделав упор на то, как здорово было бы научиться запечатлевать гломерулярный слой и, более того, идентифицировать отдельные активные гломерулы. Они с радостью приняли наше предложение и показали свою последнюю наработку: сделанные при помощи фМРТ снимки части мозга крысы, соответствующей вибриссам[47]47
  Осязательные механочувствительные длинные жесткие волосы многих млекопитающих, в обиходе – усы.


[Закрыть]; на них было видно, что каждому из 24 штук соответствует отдельная группа клеток коры головного мозга, называемая баррелем. Они продемонстрировали, что фМРТ позволяет регистрировать активность даже отдельного барреля, если на соответствующий ему волосок оказывается воздействие. Все быстро сошлись на том, что эксперименты с обонятельным восприятием должны увенчаться успехом.

Мы начали с магнита силой в 4,7 Тл. Вместе со специалистами по снимкам мы с Гриром разрабатывали «ольфактометр» (прибор для введения запахов), который бы позволил стимулировать обоняние находящейся под наркозом крысы, лежащей в камере аппарата. Полученные нами изображения превзошли самые смелые ожидания – на первых же снимках отчетливо просматривались схемы активности, происходившие, судя по всему, на том же гломерулярном слое, что в проекте 2-ДГ. Коллеги из лаборатории фМРТ сообщили, что наши снимки куда отчетливее, чем все полученные ими ранее фотографии других частей мозга. Мы объяснили, что четкость наверняка обусловлена схождением в гломерулярном слое обонятельной луковицы тысяч нервных волокон обонятельной системы, благодаря которым сигнальная активность клеток сопоставлялась с соответствующими гломерулами.

Схемы активности в обонятельной луковице крысы, полученные при помощи фМРТ, были дополнены результатами исследований методом 2-ДГ: разные запахи активировали разные схемы; схемы имели медиальную и латеральную (то есть серединную и боковую) проекции; в обеих обонятельных луковицах (это парный орган) наблюдались схожие схемы активности; количество задействованных в схеме активности клеток увеличивалось пропорционально повышению интенсивности запаха-раздражителя. Теперь мы могли использовать метод «фМРТ высокого разрешения» для поиска ответа на один из фундаментальных вопросов обонятельного восприятия – отличаются ли схемы активности в обонятельной луковице при стимуляции одного животного разными, но химически сходными запахами?

РАЗНЫЕ РЕЦЕПТОРНЫЕ РЕАКЦИИ – РАЗНЫЕ СХЕМЫ АКТИВНОСТИ

Ответ на этот вопрос мы решили искать уже в опытах на мышах. В те годы именно они считались лучшими подопытными животными для генетической модификации за счет короткого цикла размножения; это позволяло промаркировать различные группы клеток обонятельных рецепторов и соотнести их со схемами активности.

Мыши гораздо мельче крыс, и это существенно затрудняет их изучение при помощи фМРТ высокого разрешения. В отличие от взрослой крысы, средний вес которой составляет порядка 300 грамм, а то и больше, мышь может быть в десять раз меньше и весить всего лишь 30 грамм. Обонятельная луковица мыши пропорциональна ее размеру, а потому в разы меньше, чем у крысы. Правда, к тому моменту наши коллеги стали работать с магнитом до 7,6 Тл; магией тонкой настройки они довели разрешение снимков до показателей, близких к 100 мкм² (0,0001 мм²), что примерно соответствует размеру мышиных гломерул.

Проведение столь тонких экспериментов взял на себя аспирант лаборатории фМРТ Фукианг Хсю; в качестве раздражителя он использовал те же изомеры альдегидных молекул со скелетом от четырех до восьми атомов углерода, которые использовались для изучения рецепторов OR-I7, рассмотренного в главе 5. Обоняние животных стимулировалось раздражителями, магнит гудел, мы же обзаводились новыми снимками фМРТ. Как и в случае с методом 2-ДГ, снимки накладывались на анатомические изображения, таким образом происходила реконструкция схемы гломерулярной активности.

КРАТКО О ДОКАЗАТЕЛЬСТВАХ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОБРАЗОВ ЗАПАХА

Основная идея показана на рис. 8.1. С левой стороны молекула запаха активирует рецептор, проникнув в его связующий «карман». На диаграмме изображен расположенный в полости носа пласт рецепторных клеток. Как уже упоминалось в главе 7, каждая рецепторная клетка передает свою реакцию в обонятельную луковицу; по нервному волокну (аксону) импульс от возбужденного рецептора передается в гломерулу. Все клетки с одинаковыми рецепторными молекулами, как правило, сопряжены с парой гломерул, расположенных на медиальной и латеральной сторонах обонятельной луковицы. Следовательно, при возбуждении отдельного рецептора сигналы всех клеток сосредотачиваются в этих молекулах-гломерулах. Получается, что хоть сколько-то возбужденные рецепторные клетки приводят к пропорциональной активации соответствующих им гломерул. Задействованные гломерулы складываются в узор, который мы и называем схемой активности.

Характерной чертой образов запаха является способность частично совпадать с другими образами, напоминать, но при этом отличаться.

В нижней половине рис. 8.1 показаны три схемы активности, запечатленные методом фМРТ в медиальной проекции, – эти схемы соответствуют обонятельной реакции на три близкие по структуре альдегидные молекулы запаха. Вы можете сравнить нижнюю часть левой схемы (ту, что отмечена скобкой) с изображенной в верхней части иллюстрацией медиальной проекции обонятельной луковицы. Отраженные на этих схемах молекулы являются изомерами и отличаются лишь количеством атомов в углеродном скелете (от четырех до шести).

Рис. 8.1. Формирование образа запаха. Верхняя часть: клетки обонятельных рецепторов рассредоточены по различным зонам обонятельного эпителия. Показан процесс передачи информации от задействованных в реакции рецепторов по аксонам в объединяющую гломерулу обонятельной луковицы. Градация серого цвета демонстрирует разные уровни активации гломерулярного слоя. Нижняя часть: плоскостные карты схем активности гломерулярного слоя, вызванные при стимуляции обоняния тремя разными молекулами запаха, отличающимися друг от друга лишь на один атом углерода. (Составлено по материалам статьи G. M. Shepherd, Smell images and the fl avour system in the human brain, Nature 444 [2006]: 316–321/

Эти пространственные схемы следует воспринимать как проекцию информации, переносимой молекулами запаха. По аналогии с системой зрительного восприятия, где схема активности на сетчатке называется визуальным образом, мы можем назвать схему на обонятельной луковице обонятельным образом, или же образом запаха. Подводя итоги, можно сказать, что характерными чертами образа запаха является способность задействовать в схеме активности большую часть обонятельной луковицы и частично совпадать с другими образами, но при этом оставаться разными. Как и в случае схем активности, полученных методом 2-ДГ, образы запаха увеличиваются в объеме по мере повышения концентрации обонятельного раздражителя.

ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Мы знаем, что схемы активности разные, даже когда их зоны активности отчасти пересекаются; но знает ли об этом мышь? Способна ли она своим поведением показать, что различает запахи, столь близкие на молекулярном уровне? Для этого эксперимента ко мне присоединился Маттиас Ласка. Ласка был ведущим психологом исследований обонятельного восприятия приматов и иных животных. Вместе с аспирантом Йельского университета по имени Дипа Джоши они проводили эксперименты с помощью поведенческого ольфактометра – пластикового ящика с двумя небольшими отверстиями для подачи двух разных запахов. Животных обучили принюхиваться к обоим запахам и подавать сигнал в случае, если они отличаются; за это им давали небольшое поощрение. Внутри ольфактометра находилась сложная конструкция из стекла, тефлоновых трубок и вентилей, позволяющих управлять чистотой запахов и подавать их краткими вбросами.

 Чтобы понять, чувствуют ли животные различия запахов, ученые обучили их принюхиваться к двум разным одновременно и подавать сигнал, если запахи отличаются.

В результате серии опытов было установлено, что мыши прекрасно отличают друг от друга даже почти идентичные молекулы запаха. Это относится как к молекулам с разницей в один атом углерода, так и к тем, где разнятся два и более атома. Выявленная дискриминационная чувствительность обоняния оказалась в разы выше, чем у иммунной системы; там, как уже упоминалось в главе 4, эпитоп (участок молекулы антигена, соединяющийся с антителом) состоит из белковой цепочки в дюжину или более аминокислот. Сравните это с чувствительностью, позволяющей распознать разницу в один атом углерода, – такая восприимчивость возносит обоняние на недосягаемые для прочих сенсорных систем высоты.

СКОЛЬКО МЕТОДОВ, СТОЛЬКО И СХЕМ

В биологии у каждого метода исследования есть свои преимущества и ограничения. Методы 2-ДГ и фМРТ позволяют запечатлеть схемы активности, раскинувшиеся на всю обонятельную луковицу, но при этом требующие постоянной подачи раздражителя (вместо кратких выбросов одорированного вещества), а их разрешение не дает возможности отчетливо запечатлевать отдельные гломерулы. Как уже упоминалось в главе 7, помимо 2-ДГ и фМРТ ученые разработали множество других методов аппаратного исследования. Некоторые завязаны на микроскопии и наблюдении за активацией отдельных гломерул. Клетки предварительно маркируются флуоресцентными красками, чувствительными к изменениям электрической активности, или фиксируются малейшие изменения в микроциркуляции – эта группа называется оптическими методами. Другие методы регистрируют электрофизиологическую активность нервных клеток. В сравнении с 2-ДГ и фМРТ эти методы более узкие и специализированные, их охват меньше, а детализация – выше. При исследовании обонятельной реакции на упомянутую ранее группу альдегидов специализированными методами было установлено, что общий принцип схем клеточной активности – пересекаются, но отличаются – сохраняется и на уровне отдельных гломерул.

У методов, использующих микроскопию, есть существенный минус – с их помощью можно увидеть только тыльную сторону обонятельной луковицы, то есть 10–15 % ее поверхности. Это примерно то же самое, как смотреть на чье-то лицо, но видеть лишь одно ухо или бровь.

Кенсаку Мори и его токийские коллеги нашли способ избавиться от этого ограничения. В 2010 году они опубликовали исследование, в котором метод микроскопии был успешно использован для изучения и поперечного сечения обонятельной луковицы. Их открытие позволило исследовать схемы активности как никогда ранее. Им удалось запечатлеть схемы активации широкого спектра запахов. Общий принцип построения схем таков – запахи с близкой химической структурой молекул активируют находящиеся поблизости другие гломерулы; гломерулы, реагирующие на схожие группы запахов, как правило, располагаются кластерами.

ОБРАЗЫ ЗАПАХА, РАСПОЗНАВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ЛИЦА

Все упомянутые исследования подкрепляли и дополняли результаты, полученные с помощью 2-ДГ. Схемы активности были выявлены у нескольких видов позвоночных, в том числе рыб, саламандр, мышей, крыс, кроликов и обезьян; обнаружились они и у беспозвоночных (в части мозга, отвечающей за обонятельное восприятие), в том числе у медоносных пчел, фруктовых мушек и у табачного бражника. Все это доказывает, что гломерулы являются характерной чертой обонятельных систем у самых разных представителей фауны, а также что функция гломерул неразрывно связана со схемами активности. В совокупности результат этих исследований позволяет предположить, что запахи как минимум частично кодируются в виде пространственных схем активности, а это позволяет нам сделать первый вывод о механизме обоняния в целом: нейронной основой кодирования запаха является дифференциальная активация обонятельных гломерул. Мы вняли Эдгару Адриану, посоветовавшему «присмотреться к гломерулам», и не разочаровались.

Появление новых доказательств состоятельности первоначальных гипотез позволило по-новому взглянуть на нейронную подоплеку обоняния. Мы впервые могли утверждать, что, подобно тому как непространственный механизм восприятия звуковых частот проявляется в виде частотной карты в улитке внутреннего уха, так и сиюминутная модальность запаха отображается в виде схем активности, возникающих в обонятельной луковице. Это и подразумевается под «использованием нейронного пространства непространственной модальностью».

ОБРАЗЫ ЗАПАХА И ЛИЦА

В пользу гипотезы о схожести обоняния с системой зрительного восприятия говорит и то, что молекулы запаха отображаются в виде пространственных схем. Когда мы смотрим на что-то, то воспринимаем это в виде пространственной схемы – зрительного образа. Проводя аналогию между этими системами, я предлагаю следующую гипотезу: когда мы чувствуем запах, то воспринимаем его как пространственную схему активности, которую мы также можем назвать «обонятельным образом» или же «образом запаха».

Преимуществом этой гипотезы является возможность прибегнуть к обширным наработкам прошлых и текущих исследований схем зрительного восприятия. Поскольку образы запаха проявляются в виде нерегулярных схем активности, они не очень похожи на воспринимаемые зрительно геометрически правильные очертания, присущие многим объектам, и имеют скорее неправильные очертания, свойственные растениям, животным и, в особенности, человеческим лицам.

Люди превосходно разбираются в лицах. Классический пример – если перед вами целая комната женщин преклонных лет, вы сразу заметите, если одной из них будет ваша бабушка. В то же время, если вас попросят описать лицо вашей бабушки другому человеку, вам будет очень сложно – у нас банально не хватит словарного запаса и не найдется подходящей системы координат, чтобы описать, как именно работает наше восприятие в случае распознавания лица. Тем не менее мы делаем это безошибочно. Как же это работает?

Распознавание лиц является очень серьезной темой для изучения – она важна не только для создания и программирования искусственных систем распознавания зрительных образов, но и для правоохранительных ведомств, которым нужно создавать фотороботы по устному описанию свидетелей. Терри Ландау в своей книге «О лицах: эволюция человеческого лица» описывает процесс распознавания лиц следующим образом:

«То, что вы видите и узнаете в лице другого человека, определяется уникальной схемой, складывающейся из совокупности черт. Это и есть идентичность. Дело не в особенностях отдельных черт лица и не в расстоянии между ними. В данном случае значение имеет именно соотношение между совокупностью этих факторов [то есть в гештальте], благодаря которому мы можем распознать лицо преступника или своего друга. Лицо не получится поделить на части и проанализировать по отдельности. Когда вы смотрите на лицо, то чаще всего и вовсе не можете сказать, на что именно вы смотрите, ведь процесс вербального общения почти не пересекается с распознаванием образов. На лице закодирована идентичность, и мы воспринимаем ее целиком, без деталей. Сущность процесса распознания непросто уловить и сформулировать, но он происходит сразу на нескольких уровнях восприятия и дает нам один из наиважнейших социальных навыков – способность узнавать друг друга плюс воспринимать личность тех, кого мы видим».

То, что вы видите и узнаете в лице другого человека, определяется уникальной схемой, складывающейся из совокупности черт. Так что дело не в особенностях отдельных черт лица и не в расстоянии между ними.

Логично предположить, что аналогичным образом происходит и распознавание схем запахов в обонятельной луковице. Мы воспринимаем схему в целом, учимся соотносить ее с соответствующим «объектом запаха» и отличаем этот объект от схем иных запахов, даже если они очень близки по структуре, но несут иной поведенческий стимул.

Продолжая развивать эту аналогию, стоит отметить, что в цитате Ландау говорится именно про распознавание однократно увиденного лица – в таких случаях мы запоминаем лицо в целом, гештальт (за исключением одной наиболее заметной черты). Совсем по-иному работает механизм узнавания давно знакомого лица: в таком случае нам достаточно на мгновение заметить часть этого лица или увидеть его при слабом освещении. Особенно хорошо узнают лица по отрывочным визуальным признакам животные. Как пример можно привести пикселизированные фотографии Авраама Линкольна и портрета Моны Лизы. Несмотря на крайне низкое разрешение, мы спокойно узнаем их лица – мы постоянно повышаем наш навык распознавания схем и можем сопоставить сохраненный в памяти образ с воспринимаемым в текущий момент изображением, даже если оно размыто. Очевидно, что адаптационный компонент зрительного восприятия чрезвычайно важен – способность распознать добычу или хищника в промелькнувшей под сенью сумеречного леса тени является вопросом жизни или смерти, как и умение узнать лицо друга или врага, скрывающегося в тени. Большинство животных ориентируется в основном по запаху, следовательно, для них не менее жизненно важной является и способность идентифицировать образы запахов так, как зрение позволяет распознавать лица.

В случае системы зрительного восприятия несложно представить себе концепцию зрительного образа, проецируемого на сетчатку глаза, ведь этот образ сохраняется неизменным в течение нескольких стадий обработки, которые он проходит на пути от сетчатки до высших корковых центров или высших центров коры головного мозга. Образ же запаха разительно отличается от зрительного как минимум потому, что мы не осознаем факт формирования этого образа в наших обонятельных луковицах. Можно предположить, что это обусловлено тем, что образы запаха не воспроизводят реальный мир запаха, а создают лишь представление мозга о том, как выглядит мир запахов. Мозг интересует лишь то, как обработать образ и сформировать основу восприятия различных запахов и объектов запаха.

Чтобы понять, как именно из образов запаха формируется основа обонятельного восприятия, нам придется вновь заглянуть в мозг и узнать, как он обрабатывает их на последующих, более высоких уровнях восприятия.