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

Глава 9
Пуантилизм образов запаха

Нейронную основу нашей способности воспринимать широкий спектр запахов можно сравнить с нейронной основой восприятия цвета. Лучшей аналогией в данном случае является один из стилей живописи – пуантилизм.

Для формирования в мозгу смотрящего на картину восприятия цвета можно нанести краску на холст двумя способами. Можно смешать краски и получить определенный оттенок цвета: красный и белый для розового, синий и желтый для зеленого и так далее.

Второй же вариант подразумевает размещение на холсте отдельных «точек» разного цвета, а эффект смешения достигается на расстоянии, превращаясь в восприятии зрителя в новые, смешанные цвета. Это и есть метод пуантилизма. Его придумал и усовершенствовал художник-постимпрессионист Жорж-Пьер Сёра, который в свою очередь вдохновлялся трудами и ориентировался на теоретиков зрительного восприятия, ключевым из которых был Герман Гельмгольц. Другой известный художник-пуантилист – Поль Синьяк.

К примеру, картина Сёра «Воскресный день на острове Гран-Жатт» состоит из тысяч маленьких точек, складывающихся в несколько дюжин человеческих фигур на набережной реки Сены в пригороде Парижа в солнечный воскресный день. Чем ближе вы подходите, тем отчетливее различаете отдельные цветные точки, а вот фигуры, которые из них складываются, становятся всё менее различимыми; с каждым шагом, отдаляющим вас от картины, вам становится всё проще воспринимать изображенное. Описываемое произведение находится в коллекции Чикагского института искусств. (Вы можете удостовериться в особом эффекте картин в стиле пуантилизма, просто открыв цветную репродукцию картины на экране своего устройства.)

При публикации в газетах и журналах фотографий и иных графических изображений используются такие же точки, как на картинах пуантилистов, – картинки состоят из градации серых или цветных точек. В изобразительном искусстве хорошим примером пуантилизма, доведенного до абсурдности, являются работы Энди Уорхола – в его картинах, изображающих персонажей мультфильмов и голливудских знаменитостей, крупные точки являются центральным элементом художественной композиции.

То, что мы называем цветом, на самом деле является восприятием электромагнитных волн разной длины, которые в разной мере стимулируют наши фоторецепторы; непосредственно «цвет» является продуктом работы мозга.

Несколько лет тому назад мы с Терри Акри из Корнеллского университета одновременно пришли к одному и тому же выводу – примеры механизмов зрительного восприятия могут поспособствовать пониманию механизмов обонятельного восприятия. Точки цветной краски, отражающие световые волны разной длины, аналогичны элементам обонятельной луковицы под названием гломерулы, каждая из которых активируется разными запахами преференциально и дифференциально. Схемы цветовых точек картины «На острове Гран-Жатт» соответствуют схемам активных гломерул (см. рис. 8.1). Для получения сложного эффекта смешения красок и полноценного восприятия картины эти цветовые схемы нужно рассматривать с некоторого расстояния. Аналогично может работать и распознавание закодированного в схеме активности запаха – необходимо некое «расстояние», способ считывания, который позволил бы добиться «смешения запахов» на основе эффектов соседствующих рядом элементов гломерулярного слоя. Иллюзия объединения цветных точек по мере отдаления вполне применима и к схемам, показанным на рис. 8.1.

Нейронные цепи системы обонятельного восприятия в головном мозге предназначены именно для многоступенчатого процесса переработки схем в единый образ. Последовательность этих этапов вы видели на рис. 7.1. Постепенно мы рассмотрим все этапы преобразования пуантилистских схем запаха и узнаем, как наш разум формирует обонятельное восприятие окружающего нас мира.

Сравнение обоняния с восприятием цвета позволило выявить еще одно интересное сходство. То, что мы называем цветом, на самом деле – восприятие электромагнитных волн разной длины, которые в разной мере стимулируют наши фоторецепторы; непосредственно «цвет» является продуктом работы мозга. Схожая ситуация наблюдается и в обонянии – в молекулах, стимулирующих обонятельные рецепторы, «запаха» как такового просто нет. «Запах» формируется мозгом на основе отличительных характеристик молекул запаха. Механизмы преобразования служат фундаментом обоняния и восприятия вкусовых ощущений; потому этот процесс и вынесен в подзаголовок книги. По мере того как мы будем углубляться в хитросплетения системы восприятия запаха, мы минуем сферу стимулов и окажемся в нейронных цепях, обрабатывающих информацию, а затем достигнем мозга, где формируется наш субъективный мир. Сейчас же нам пора приступить к рассмотрению упомянутых нейронных цепочек обработки данных.

СРАВНЕНИЕ ЦВЕТА И ЗАПАХА

Как уже упоминалось, в длине световых волн и фотонах цвета нет. Цвет – это сенсорное качество, создаваемое нашим мозгом. Всякий раз, когда мы смотрим на цветок, его красочность напоминает нам о том, насколько блеклым и тоскливым был бы окружающий мир, если разные длины волн света воспринимались бы исключительно как оттенки серого спектра; ярко-красный цветок красного цвета лишь потому, что нейронные цепи нашего мозга выбрали отражаемую им длину световой волны для восприятия в этом цвете.

По аналогии мы можем предположить, что мир запахов также казался бы нам отрывками недооформленных ощущений, не будь в нашей обонятельной системе цепочек обработки, присваивающих определенным видам активности рецепторов качества, позволяющие нам отличать один вид стимула от другого. Способность создавать это сенсорное качество, которое философы называют квалией[48]48
  Qualia (лат.).


[Закрыть], на основе определенного запаха зарождается в удивительных структурах под названием гломерулы.

ОБРАБОТКА ПУАНТИЛИСТСКОГО ОБРАЗА

Информация от всех сенсорных систем, попав в мозг, проходит несколько последовательных стадий обработки для выявления наиболее важных элементов, необходимых для восприятия и распознания раздражителей. Аналогичным образом работает и система обоняния – поступающая информация в форме «образа запаха» проходит несколько стадий обработки. Для большей наглядности последовательность процессов можно сравнить, к примеру, с системой визуального восприятия (см. рис. 7.1).

Первая стадия преобразования стимула происходит в обонятельной луковице, в том слое, где формируется сам образ запаха. Затем запах усиливается мощной системой процессов латеральной ингибиции. Из обонятельной луковицы усиленный запах отправляется в обонятельную кору головного мозга, где кортикальные модули преобразовывают образ запаха в формат, подходящий для ассоциативной памяти. На финальной стадии обработки этот запечатленный в памяти образ передается на самый верх больших полушарий, в высшие мыслительные центры новой коры (которую также называют неокортексом), где сложная система кортикальных модулей создает на основе образа ассоциативной памяти сознательное восприятие обонятельного стимула.

Если кратко, то схема преобразования пуантилистского образа запаха выглядит следующим образом: локальная обработка, глобальное форматирование, усиление эмоциональной коннотацией, сознательное восприятие.

Каждый из этих этапов осуществляется отдельной микросистемой, которые мы рассмотрим в последующих главах.

ГЛОМЕРУЛЫ: УНИВЕРСАЛЬНЫЕ УЛОВИТЕЛИ ЗАПАХА

Продолжая проводить параллели между системой обоняния и картиной пуантилиста, можно сказать, что каждая точка является отдельной гломерулой обонятельной системы. Маленькие гломерулы поистине удивительны, ведь именно они представляют собой наиболее разноплановую многоклеточную структуру нашего мозга. Неудивительно, что Эдгар Адриан посоветовал мне «присмотреться к гломерулам», кои в те годы считались не более чем рядовой простейшей структурой этой сенсорной системы; в наши дни их структура и функции являются объектом тщательного изучения многих специалистов по молекулярной биологии.

По сути, гломерулы являются тесным скоплением связей, откуда сигналы из носа передаются в мозг (см. рис. 7.1). Здесь заканчиваются нервные волокна (аксоны), идущие от рецепторных клеток носа; они состыковываются с короткими ответвлениями (дендритами) нервных клеток обонятельной луковицы. Каждая гломерула связана даже не с сотнями, а многими тысячами нервных клеток обонятельной луковицы. К примеру, у кролика имеется порядка 50 миллионов клеток обонятельных рецепторов и всего 2000 гломерул. Получается, что на одну гломерулу в среднем приходится порядка 25 000 клеток; мы называем это коэффициентом сужения, и в данном случае он получается 25 000:1. Такого высокого коэффициента связи одного типа клетки с одним видом целевой структуры в мозге больше нет.

 У кролика имеется порядка 50 миллионов клеток обонятельных рецепторов.

В своих работах молекулярные биологи Линда Бак, Ричард Аксель, Питер Момбаертс и их коллеги продемонстрировали, что все нервные волокна, сходящиеся в одной гломеруле, связаны лишь с одним типом обонятельного рецептора – жгутиком обонятельной мембраны носа. Получается, что все эти волокна передают одинаковую информацию; это делает и без того высокий коэффициент сужения еще более впечатляющим.

Представьте, что с вами одновременно разговаривают 25 000 людей. Как такое вообще возможно? Никак, даже если предположить, что речь идет о самой большой коктейльной вечеринке в мире, где каждый говорит что-то свое или одно и то же, но в разное время; ученые назвали бы это шумом. С другой стороны, если бы все присутствующие в унисон кричали бы «С днем рождения!» или пели хором, то вы бы отчетливо услышали их слова. Технически это можно назвать «сигналом». Согласно теории сигналов, сведение входящих импульсов повышает «отношение сигнал/шум» (ОСШ), существенно увеличивая четкость сигнала.

Мы принимаем за аксиому, что усиление отношения сигнала к шуму является ключевым аспектом функции гломерул. В ортоназальном обонянии это способствует выявлению и различению определенных сигналов в окружающей среде, которые могут иметь критическое значение для выживания, таких как запах уязвимой добычи или засевшего в засаде хищника. По аналогии, в ретроназальном обонянии усиление отношения сигнала к шуму, скорее всего, используется для выявления и различения изменчивых составляющих, высвобождающихся из пищи в полости рта. Эти компоненты могут быть не менее важными для выживания, чем способность унюхать хищника; они позволят понять, созрел ли поедаемый фрукт, гниет ли мясо или рыба, или они все-таки свежие. Способность к восприятию таких нюансов могла иметь критическое значение при исследовании новых источников пищи, например при великих миграциях, неоднократно происходивших за время эволюции человека. Сегодня же мы используем этот вид восприимчивости, чтобы получать удовольствие от вкуса поглощаемых блюд и отличать одно вино от другого.

Вопрос остается открытым: зачем почти всем видам животных, в том числе людям, этот модуль обонятельной системы?

Обонятельная среда состоит из тысяч различных одорированных молекул и источников запаха, из числа которых нам приходится неустанно вычленять отдельные одоранты, способные выступать в роли поведенческого стимула. Среда состоит из асинхронного шумового фона, из которого животному надо изолировать нужный сигнал. В отличие от зрительной системы, воспринимающей чрезвычайно изменчивую визуальную среду, обонятельной системе не приходится тратить ценный ресурс нервных тканей на отслеживание положения источника в пространстве. Обонятельная система может создавать стационарные модули распознавания и просто ждать, пока их достигнут подходящие раздражители. Несколько перефразируем теорию, популяризированную оксфордским философом Исайей Берлином, – зрение словно лис, который знает много секретов, а обоняние как еж, ведь каждая гломерула знает один, но самый важный секрет.

Получается, что гломерула на порядок эффективнее систем распознавания иных органов чувств. Подобно тому как точки краски на картине пуантилиста отражают определенную длину световых волн и в результате воспринимаются ярче заранее смешанных на палитре цветов, то вполне возможно, что и «точечные» характеристики молекул запаха кажутся более яркими (и отчетливыми) в общей картине запахов за счет того, что воспринимаются отдельными гломерулами. Заметьте, как гармонично эта аналогия вписывается в рассмотренный в прошлой главе механизм пикселизации визуальных образов. Может статься, что именно эта особенность сделала гломерулы универсальными модулями обработки обонятельных сигналов для большинства живых существ, от человека до насекомых.

СЛОЖНО ЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЬ ЗАПАХ В ОБРАЗ?

В рамках нашей аналогии обоняния и зрения подразумевается, что «разрешение» образа запаха должно зависеть от ряда факторов. Во-первых, разрешение зависит от количества рецепторов; предположительно, чем их больше, тем оно выше. В пользу этого можно привести то, что у собаки рецепторов около 100 миллионов, в то время как у грызунов и людей их примерно в 10 раз меньше. Во-вторых, важно разнообразие типов рецепторов. Лидерами в этот раз становятся грызуны, имеющие свыше 1000 типов обонятельных рецепторов; у собак их около 800, а у людей всего порядка 350. Третьим же фактором является количество гломерул. У собаки гломерул несколько тысяч, но недавнее исследование моего коллеги Чарльза Грира показало, что у человека их больше, а именно – порядка 6000. Получается, что чем больше у нас рецепторных клеток, типов рецепторов и гломерул, тем выше разрешение воспринимаемых образов запаха. Тем не менее в данном случае решающим фактором становится высокий уровень организации аналитических центров человеческого мозга, обрабатывающих образы запаха. Их-то мы и рассмотрим далее.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

У человека есть несколько тысяч модулей, каждый из которых реагирует независимо от других. Они выступают в роли «меченых линий». Вместе с тем аксиома теории сигналов также подразумевает, что ресивер – то есть мозг – не понимает содержащуюся в этих меченых линиях информацию, покуда ему не с чем их сравнивать. Следовательно, должны существовать и некие механизмы, позволяющие сравнивать и выявлять корреляцию между активностью разных линий; а именно – механизмы латерального взаимодействия между гломерулярными модулями. Эти взаимодействия возможны благодаря вставочным нейронам, соединяющим соседние гломерулы; они называются перигломерулярными клетками (см. рис 7.1).

В ходе физиологических исследований было установлено, что перигломерулярные клетки реагируют на поступающую информацию о запахе одиночными импульсами, или всплесками импульсной активности. Одним из выявленных физиологических эффектов является ингибиция дендритов митральных и пучковых клеток, исходящих из близлежащих гломерул. Предположительно, благодаря этому более активные гломерулы способны подавлять активность своих менее активных соседей, так же как это происходит в процессе латеральной ингибиции. Такие взаимодействия повышают отношение сигнал/шум и четкость восприятия образа запаха.

Еще одним видом межгломерулярных взаимодействий является возбуждение. Оно может происходить как благодаря непосредственному вовлечению возбуждающих синапсов, которые есть у подвида (перигломерулярных клеток с возбуждающими нейромедиаторами), так и за счет особого типа ингибиции. Такая ингибиция происходит благодаря воздействию возбуждающего аксона перигломерулярной клетки на находящуюся на расстоянии клетку-ингибитор, что вызывает удаленную, но локальную ингибицию митральных и пучковых клеток целевой гломерулы.

В ходе исследования, проведенного в 2003 году Майклом Шипли и его коллегами из Мэрилендского университета, были получены доказательства существования этого механизма взаимодействия. Целью некоторых перигломерулярных клеток становятся достаточно отдаленные гломерулы – в процессе экстракции схемы активации, отражающей образ запаха, происходят сложные взаимодействия по координации сразу нескольких гломерул. Том Клеланд со своими коллегами из Корнеллского университета предположил, что конечной целью этих взаимодействий может быть нормализация возбудимости гломерулярного слоя, благодаря которой он будет сохранять функциональность вне зависимости от интенсивности обонятельной стимуляции.

Пока что мы едва затронули тему подвидов перигломерулярных клеток и различных межгломерулярных взаимодействий. Сейчас самое время упомянуть, что одной из функций этих латеральных механизмов является начальная стадия экстракции пространственных схем для более эффективной дальнейшей обработки в микросистемах следующего порядка, связанных с одним из наиболее загадочных видов мозговых клеток – гранулярных клеток обонятельной луковицы.

Глава 10
Усиление образа

Обонятельная луковица отвечает сразу за два этапа обработки запаха. Первый из них, рассмотренный в главе 9, происходит на уровне гломерулярного слоя – там образуется схема, обозначающая молекулы запаха, и идут процессы оптимизации отношения сигнал/шум и латеральные взаимодействия, являющиеся начальной стадией обработки образа запаха. Затем образ передается на следующий структурный уровень обонятельной луковицы, и начинается второй этап обработки. Уровни связаны между собой крупными митральными клетками и их более компактными клетками-компаньонами – пучковыми клетками (см. рис. 7.1). Дендриты этих клеток, расположенные в гломерулярном слое, вбирают в себя обработанный сигнал и передают его на следующий уровень по апикальному дендриту, а впоследствии отправляют его в обонятельную кору по своему длинному аксону. Прежде чем они смогут передать сигнал за пределы обонятельной луковицы, ему предстоит пройти вторую стадию обработки. Это необходимо потому, что вставочные нейроны гломерулярного слоя имеют ограниченный охват – они могут воздействовать на образ запаха исключительно через те гломерулы, к которым восходит их аксон.

Вторая стадия обработки состоит из минимум двух взаимодействий. Во-первых, необходимо скоординировать все гломерулярные модули. Это происходит благодаря так называемым вторичным дендритам митральных и пучковых клеток; они раскидываются на немалое расстояние, ветвятся и дотягиваются до многих близлежащих гломерулярных модулей. Напрямую между собой этот вид дендритов не взаимодействует; посредничество осуществляется особым видом промежуточных[49]49
  Промежуточный (вставочный) нейрон – нейрон, контактирующий только с другими нейронами и не контактирующий с мышцами, органами и др.


[Закрыть] нейронов – гранулярными клетками (см. рис. 7.1). Именно гранулярные клетки обеспечивают второй тип взаимодействий – латеральную ингибицию между скоординированными гломерулярными модулями. На каждую митральную клетку приходится порядка ста гранулярных, что обеспечивает действительно мощную ингибицию. Следовательно, гранулярные клетки являются ключом к скоординированной ингибиторной обработке, ведь именно благодаря им образ запаха преобразовывается в формат, подходящий для передачи в обонятельную кору для следующей стадии обработки. Как же происходит эта смена формата?

В ПОИСКАХ РАЗГАДКИ ТАЙНЫ ГРАНУЛЯРНЫХ КЛЕТОК

Я впервые столкнулся с гранулярными клетками в Оксфорде, когда проходил аспирантуру под руководством Чарльза Филлипса и изучал физиологические реакции клеток обонятельной луковицы. Наиболее значимым из моих открытий в ходе того исследования стало то, что митральные клетки связаны крайне прочными и долгоиграющими процессами латеральной ингибиции; эту закономерность одновременно с нами выявили исследователи в двух других лабораториях.

Вот только была одна проблема – на уровне дендритов митральных клеток обонятельной луковицы не было ингибиторных клеток; там имелись лишь любопытные мелкие гранулярные клетки с колючими на вид, покрытыми шипиками дендритами без аксонов. Клетки, не имеющие аксонов, вообще сложно отнести к категории нервных, и еще сложнее предположить, что именно они могут выполнять функции промежуточных нейронов при митральных клетках. Несмотря на крайне сомнительные характеристики, гранулярные клетки расположились именно там, где мы надеялись обнаружить промежуточные нейроны; мы пришли к выводу, что они, возможно, активируются ответвлениями (коллатералями) аксона митральных клеток и ингибируются центральным, апикальным дендритом, затесавшимся в хитросплетение дендритов базальных.

После защиты кандидатской я приступил к следующему этапу обучения, уже под руководством Вилфрида Рэлла в Национальном институте здравоохранения США (НИЗ) в городе Бетесда, штат Мэриленд. В те годы Рэлл только начинал свою первопроходческую деятельность в сфере нейроинформатики – он создавал первые компьютерные модели нервных клеток и с их помощью выявлял загадочные свойства дендритных ответвлений. Ему пришлось настаивать на своем вопреки давлению оппонентов, полагавших, что дендриты не участвуют в обработке информации и роль их сводится преимущественно к обеспечению клеток питательными веществами. Мы решили, что митральные и гранулярные клетки обонятельной луковицы могут стать прекрасным подспорьем в обосновании важной роли дендритов в информационных процессах, и тогда я выдвинул гипотезу об их участии в процессе преобразования и обработки запахов.

Мы решили создать цифровые модели митральной и гранулярной клетки и воспроизвести с их помощью результаты моего прошлого исследования. К сожалению, компьютерное моделирование не дало нам новых сведений о том, как взаимодействуют эти виды клеток. К тому моменту у меня оставалось лишь несколько месяцев до перевода в следующую лабораторию. Мы понимали, каким образом гранулярные клетки обеспечивают ингибицию митральных, но вопрос оставался открытым – что же запускало процесс латеральной ингибиции? Чем больше мы работали над этой проблемой, тем отчетливее понимали, что возбуждение дендритов гранулярных клеток начинается в том же тонком слое, где затем наблюдается ингибиция дендритов митральных клеток. Что же могло инициировать этот процесс?

АГА! – МОМЕНТ И НОВЫЕ ОТКРОВЕНИЯ

Когда мы в очередной раз обсуждали проблему нашего исследования, нам пришла в голову одна крайне интересная мысль: а что, если возбуждение дендритов гранулярных клеток вызывается теми же дендритами митральных клеток, которые им предстоит ингибировать? Идея казалась безумной, но к тому моменту иные идеи иссякли окончательно. Из классических пособий по анатомии я знал, что подобная взаимосвязь между дендритами беспрецедентна, и мы с Рэллом прекрасно понимали, что в литературе по физиологии такое функциональное взаимодействие тоже не упоминается. В тот же день, 26 августа 1964 года, Рэлл внес нашу гипотезу в свой зеленый лабораторный журнал. Он написал, что, вероятно, между митральными и гранулярными клетками происходят «дендро-дендритные взаимодействия», которые и приводят как к аутоингибиции, так и к латеральной ингибиции митральных клеток. Мы также предположили, что механизм этого взаимодействия аналогичен латеральной ингибиции в сетчатке глаза. Мне вскоре предстояло покинуть Бетесду и продолжить свои научные изыскания в другой лаборатории, в Швеции; но сколько-то времени у нас в запасе еще оставалось.

Проверить нашу гипотезу можно было только с помощью электронного микроскопа, который позволил бы нам увидеть и доказать существование таких синаптических связей. Помог случай – в соседнем здании лабораторного комплекса НИЗ работали Том Риз и Милтон Брайтман. Я подтолкнул их к поиску синапсов между митральными и гранулярными клетками, и вскоре те были обнаружены. Когда Рэллу показали необычное размещение этих синапсов – они располагались бок о бок и имели противоположную направленность, – его постигло еще одно откровение. Он тут же сообщил Ризу и Брайтману, что именно такие синапсы и должны обеспечивать взаимодействия согласно нашей с ним гипотезе. Я считаю это прекрасным примером того, как быстро подготовленный разум ориентируется при получении неожиданных данных.

Следующее «ага!» кричал уже я, когда получил в Стокгольме письмо с новостью об их открытии. К тому моменту два других исследования уже показали наличие в обонятельной луковице некоей «нетипичной конфигурации», но без физиологического обоснования и моделирования вычислить функции этого синаптического соотношения не представлялось возможным, ведь противоположная направленность синапсов казалась абсурдной.

ПРИЗНАНИЕ НОВОГО МЕХАНИЗМА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Пребывая в радостном возбуждении, мы вчетвером составили отчет о результатах нашего исследования и отправили его в ведущий журнал Science. Полученная нами рецензия гласила: «В публикации отказано: не представляет общенаучного интереса». Мы могли бы потребовать пересмотра решения, но это шло вразрез с тактичным характером Вила. Он просто нашел другой научный журнал, где нашу статью приняли.

За первой публикацией последовала и вторая, в которой мы подробно описали создание цифровой модели клеточного взаимодействия. Моделирование позволяло подчеркнуть фиксированную последовательность аутоингибиционных взаимодействий – они неизменно начинаются с возбуждения гранулярной клетки и заканчиваются ингибицией в результате обратной связи. В отличие от латеральной ингибиции, в которую вовлечены только синапсы гранулярно-митрального направления, а информация передается ближайшей митральной клетке, в случае аутоингибиции сопротивление отсутствует. Открытый нами тип нейронной цепи позволял осуществлять как аутоингибицию, так и латеральную ингибицию в меньших масштабах, чем в классической конфигурации. Мы также подчеркнули, что латеральная ингибиция, скорее всего, играет важную роль в создании пространственных схем в обонятельной луковице, а также способствует колебательной активности гранулярных и митральных клеточных масс. Следовательно, в основе как пространственных, так и временных аспектов обработки образов запаха лежат одни и те же механизмы.

В одной из последующий статей, опубликованных в журнале Scientific American, я назвал эту группу взаимодействий «микроцепями», по аналогии с микроцепями и микросхемами компьютерных плат. Этот термин пришелся по душе научному сообществу и впоследствии стал использоваться для описания строения нервной системы, а именно специфических и повторяющихся схем соединения и взаимодействий, наиболее показательными примерами которых по сей день считаются те самые взаимодействия, которые мы обнаружили в обонятельной луковице.

КООРДИНАЦИЯ МЕЖДУ ГЛОМЕРУЛЯРНЫМИ МОДУЛЯМИ

Каким же образом происходит координация отдаленных друг от друга гломерулярных модулей? Мы уже рассмотрели локальные механизмы, благодаря которым перигломерулярные клетки координируют гломерулы в рамках одного модуля. Теперь же нам предстоит узнать, как те же механизмы работают на другом уровне, уже с помощью гранулярных клеток и латеральной ингибиции.

Разумеется, здесь тоже имеется своя проблема: образ запаха раскидывается на значительную часть гломерулярного слоя, даже если обоняние стимулируют всего одной одорированной молекулой (см. главу 8). Любой образ запаха задействует множество митральных и пучковых клеток, находящихся на изрядном отдалении друг от друга; для усиления образа запаха посредством латеральной ингибиции активность этих клеток должна быть скоординированной. Так каким же образом обеспечивается эффективная латеральная ингибиция на малых и больших расстояниях?

Ответ на этот вопрос обнаружился благодаря новому методу исследования, в основе которого лежал вирус бешенства. Ученые и медики уже знали, что вирус бешенства проникает в нервные клетки, распространяется по их ветвям и убивает их; а еще он перекидывается на сопряженные клетки, чтобы затем уничтожить и их. Специалисты по молекулярной биологии воспользовались этой особенностью вируса и превратили его в инструмент для исследования связей между нервными клетками: на основе изначального вируса бешенства они создали вирус «псевдобешенства», со значительно пониженной летальностью. Отметив его флуоресцентным маркером, они получили возможность отслеживать распространение вируса как в клетке, так и между клетками.

Дэйвид Уилхайт, докторант при нашей лаборатории, с помощью этого метода проследил связь митральных и гранулярных клеток. Это стало наглядной демонстрацией того, что одна зараженная митральная клетка связана с близлежащим кластером гранулярных клеток, а также с митральными, пучковыми и перигломерулярными клетками, связанными с одной гломерулой. Для обработки гломерулярного сигнала образуется клеточная колонка; подобные структуры имеются и в некоторых участках коры головного мозга. Мы назвали это клеточное образование «гломерулярной единицей». Уилхайт обнаружил, что отдельная митральная клетка связана со многими гломерулярными модулями, расположенными в разных частях гломерулярной клетки. По всей видимости, именно эта особенность может лежать в основе гипотетической скоординированности латеральной ингибиции.

Так чем же обусловлена способность одной митральной клетки воздействовать посредством латеральной ингибиции на митральные клетки других гломерулярных единиц, находящихся от нее на разном расстоянии? Разгадку этой головоломки нашли двое наших коллег, Венхуй Сьон и Вей Чен. Они продемонстрировали, что импульс из тела митральной клетки проходит не только вверх по аксону и дальше, в обонятельную кору, но и в обратном направлении, достигая самых кончиков латеральных дендритов. Получалось, что дендриты, подобно аксонам, умеют передавать клеточный импульс на значительные расстояния, а значит, могут как активировать гранулярные клетки, так и запускать латеральную ингибицию в различных частях обонятельной луковицы.

Другой наш коллега Мишель Миглиори составил цифровую модель импульса, активирующего гранулярные клетки различных гломерулярных единиц, находящихся на разном расстоянии от клетки-источника, и доказал, что расстояние не препятствует сильной латеральной ингибиции, необходимой для обработки распределенных по обонятельной луковице образов запаха. Его открытие стало первым серьезным дополнением к нашей изначальной модели обонятельного восприятия за 40 лет. Как и в прошлый раз, первая попытка опубликовать исследование закончилась уже знакомой отпиской «не представляет общенаучного интереса» и отказом; как и в прошлый раз, статью опубликовали в другом журнале.

Эти механизмы ингибиции не только усиливают пространственные образы, но и синхронизируют активность митральных клеток, блокируя их обратную связь, как и предполагалось при составлении изначальной модели (в которой уже подразумевалось, что схема запаха существует как в пространстве, так и во времени). Многие нюансы новой гипотезы еще нуждаются в экспериментальном подкреплении, но даже в текущем состоянии с ней можно работать; она развивает изначальную модель и может задавать направление будущим исследованиям и экспериментам.