Текст книги "Сила обоняния. Как умение распознавать запахи формирует память, предсказывает болезни и влияет на нашу жизнь"

Домашнее задание

Мысленно совершите путешествие в свое детство: какие запахи запечатлелись в вашей памяти, какие воспоминания они пробуждают, о каких историях напоминают? Каких запахов вашего детства уже нет, но воспоминания о них пережили время?

Глава 2
Как функционирует обоняние? Фабрика чудес «Нос и компания»

Из этой главы вы узнаете:

• что при восприятии запаха в нос проникает весьма малое число его носителей,

• что обонятельных рецепторов у нас в сотни раз больше, чем рецепторов зрительных,

• что обонятельные раздражения обрабатываются в эмоциональных центрах головного мозга.

Физические и химические чувства

Обоняние относят к пяти классическим чувствам. Наряду со зрением и слухом, вкусом и осязанием оно позволяет нам воспринимать окружающий мир и адекватно на него реагировать. Зрение, слух и осязание являются физическими чувствами, которые проявляются ощущениями, возникающими в результате физического воздействия соответствующих раздражителей на органы чувств. Бросим для начала взгляд на функциональную сторону этого дела: при восприятии зрительных стимулов фотоны солнечного света или света искусственных источников отражаются от поверхностей различных предметов. От светлых поверхностей отражается больше фотонов, от темных – меньше. Фотоны, проникающие в глаз через роговицу, проходят через хрусталик, где фокусируются, а затем проходят через стекловидное тело. В сетчатке, выстилающей заднюю стенку глаза, пучок фотонов проходит еще через несколько клеточных слоев, прежде чем встречается с рецепторными клетками. Эти клетки представлены двумя типами: палочками, обладающими высокой чувствительностью и обеспечивающими черно-белое зрение, например ночью, в условиях низкой освещенности, и колбочками, которые отвечают за цветовое зрение и для нормальной функции которых требуется весьма много света. Эти рецепторные клетки «переводят» физическое раздражение на язык нервной системы, то есть на язык электрических импульсов. Эти электрические стимулы передаются по нервным волокнам в головной мозг, где подвергаются дальнейшей обработке.

Слух, в свою очередь, основан на восприятии звуковых волн, порождаемых колеблющимися структурами. Этими структурами могут быть мембраны динамика, голосовые связки взволнованного коллеги или двигатель автомобиля. Звуковые волны проводятся в какой-либо среде, как правило, в воздухе, частицы которого начинают колебаться с частотой исходных звуковых волн. Когда волны достигают нашей барабанной перепонки, она начинает колебаться, приводя в движение слуховые косточки – молоточек, наковальню и стремечко. Движения стремечка вызывают колебания в жидкости, заполняющей внутреннее ухо, синхронные с колебаниями источника звука. Во внутреннем ухе, в улитке, возникает бегущая волна, проходящая по завиткам спиральной улитки. В определенном месте, соответствующем частоте звука, амплитуда колебания жидкости становится максимальной. Энергия колебания возбуждает волосковые клетки, рецепторные клетки слуховой системы. Таким образом механическое давление волны превращается в электрический стимул, то есть волосковые клетки играют ту же роль, что палочки и колбочки сетчатки глаза. Электрические стимулы по слуховому нерву направляются в головной мозг, где подвергаются дальнейшей обработке. Для системы осязания тоже существуют специфические рецепторные клетки, переводящие энергию механического давления в энергию электрических нервных стимулов.

Задачей рецепторных клеток различных органов чувств является перевод с языка раздражителей внешнего мира в электрические стимулы, то есть перевод на «язык мозга»; процесс такого перевода называют трансдукцией. Для того чтобы понять, как работает орган чувства, надо разобраться в работе рецепторных клеток и рецепторов: как осуществляют такой перевод палочки и колбочки сетчатки глаза и волосковые клетки слуховой улитки? Детали трансдукции сложны и в разных органах чувств отличаются друг от друга, но в основе лежит одно и то же – рецепторные клетки располагают рецепторами, особыми белками, отвечающими на раздражение, в ходе которого они меняют свою конфигурацию (свою трехмерную форму). Следствием такого изменения является сдвиг электролитного равновесия в рецепторной клетке. В результате либо в самой рецепторной клетке, либо в других клетках возникает так называемый потенциал действия – преходящее изменение нормального электрического напряжения между цитоплазмой (внутренней средой клетки) и внеклеточным пространством. Этот потенциал действия от места своего возникновения охватывает всю клетку и передается на отростки нервных клеток, которые связывают органы чувств с головным мозгом. Так образуется электрическое раздражение, передающееся от органа чувств в мозг.

Особенность физических ощущений – зрения, слуха и осязания – заключается в том, что рецепторные клетки не вступают в непосредственный контакт с источником раздражения. Напротив, источник может быть удален от организма на значительное расстояние. Раздающийся после разряда молнии гром мы слышим за много километров, и для этого не нужно, чтобы молния ударила нам во внутреннее ухо. Фотоны, воспринимаемые нами в течение всего светового дня, преодолевают 150 миллионов километров, прежде чем отразятся от какого-нибудь дерева, проникнут в наши глаза и активизируют рецепторные клетки сетчатки.

При восприятии химических стимулов вкуса и обоняния дело обстоит несколько по-иному. В данном случае некоторые вещества, химические соединения, вступают в непосредственный контакт с рецепторными клетками. Для того чтобы мы ощутили сладкий вкус сахара, его молекулы должны раствориться в слюне и подействовать на вкусовые рецепторы, расположенные во вкусовых сосочках языка. В этих сосочках на поверхности рецепторных клеток находятся рецепторы, реагирующие на молекулы сахара. Эта реакция вызывает изменение конфигурации рецепторов и порождает потенциал действия. Таким образом, вещества, вызывающие ощущение вкуса, должны быть водорастворимыми. Для того же, чтобы мы ощутили аромат, пахучие вещества должны проникнуть в нос.

На этом месте мне придется остановиться, чтобы разъяснить разницу между ароматом, запахом и пахучим веществом. Под словом «аромат» мы разумеем какой-то приятный запах, но не всякий запах является ароматом. Оба выражения описывают наши ощущения. Пахучее вещество, напротив, является химическим веществом, вызывающим ощущение аромата или запаха. Пахучее вещество является субстанцией, вступающей в контакт с обонятельными рецепторами, а аромат или запах – это то, что мы затем воспринимаем и ощущаем.

Пахучие вещества достигают рецепторов не через слюну, а через воздух. Следовательно, они должны быть летучими, то есть должны обладать способностью переходить в парообразное состояние. Оказавшись в носу, они могут вступать в контакт со своими рецепторами в обонятельных клетках. Воздействие раздражителя опять-таки приводит к изменению конфигурации рецепторного белка и порождению потенциала действия, передающего электрическое возбуждение в головной мозг.

Как работает наше обоняние

Обонятельная слизистая оболочка

Вся носовая полость выстлана слизистой оболочкой, причем большая часть ее представлена так называемым мерцательным эпителием. Он получил такое название, потому что на поверхности его клеток присутствуют маленькие, постоянно колеблющиеся («мерцающие») реснички, участвующие в очищении дыхательных путей. В мерцательном эпителии, однако, обонятельные рецепторы отсутствуют. Они находятся на весьма небольшом участке поверхности стенки полости носа – в верхней части носовой полости. В так называемой крыше носа, расположенной позади его корня, обнаруживается слизистая оболочка другого типа, обонятельная слизистая оболочка. Она отличается от мерцательного эпителия, так как в этом участке находятся также нервные клетки, а именно обонятельные рецепторные клетки. Эти клетки на стороне, обращенной в полость носа, несут реснички – действительно напоминающие по форме ресницы выросты. На этих ресничках находятся обонятельные рецепторы, белки, распознающие пахучие вещества.

В процессе восприятия запаха посредством химического чувства, как уже было сказано, надо, чтобы хоть небольшая часть источника раздражения вступила в непосредственный контакт с рецепторами, а следовательно, и с нервной системой. Например, когда мы пьем кофе, часть пахучего вещества из напитка возгоняется в воздух и с током вдыхаемого воздуха поступает в носовую полость, где связывается с рецепторными белками рецепторных клеток. Не важно, что мы ощущаем – запах человеческого тела, коровьего навоза, пиццы или розы: каждый раз пахучее вещество и, соответственно, часть источника запаха, пусть даже крошечная, поступает в организм. При восприятии физических раздражителей, как я уже говорил, не происходит непосредственного контакта источника раздражения и рецепторных клеток.

Обонятельные рецепторные клетки

Обонятельные рецепторные клетки, как и все рецепторные клетки, являются нервными клетками, а значит, являются частью нервной системы. В случае физических чувств рецепторные клетки находятся в глубине тканей организма. Они могут повреждаться, если сила раздражения превосходит пороговый уровень – например, если мы смотрим на солнце или слышим невыносимый грохот. Но в принципе зрительные и слуховые рецепторные клетки хорошо защищены от воздействий окружающей среды. С обонянием как химическим чувством дело обстоит по-другому: рецепторные клетки должны находиться в непосредственном контакте с окружающим миром, так как иначе они не смогут нормально функционировать. Таким образом, помимо пахучих веществ на них действуют всевозможные токсические раздражители, которые потенциально могут их повредить и даже убить. По этой причине эволюция снабдила наши обонятельные рецепторные клетки особым свойством – способностью к регенерации. В обонятельном эпителии располагаются не только обонятельные рецепторные клетки, но и стволовые клетки, которые могут созревать и становиться рецепторными. Эта особенность присуща нервной системе взрослого человека, хотя в норме отмирающие нервные клетки не восстанавливаются, что, например, мы наблюдаем при поперечном миелите. Напротив, обонятельные рецепторные клетки образуются постоянно. По существующим оценкам, обонятельные клетки обновляются за период от шести недель до шести месяцев.

Исследование стволовых клеток является пока оживленно обсуждаемой темой, потому что получать их можно только из эмбрионов. Но стволовых клеток обонятельной слизистой оболочки эти этические дискуссии не касаются. Поэтому существует множество исследовательских групп, которые пытаются выделять стволовые клетки из обонятельной слизистой оболочки и пересаживать их в другие ткани, например в спинной мозг, в надежде, что там они будут дифференцироваться в нервные клетки спинного мозга. Этот подход пока только зарождается, но подает надежду, что когда-нибудь нам удастся излечить поперечный миелит.

Обонятельные рецепторы

Пахучие вещества, которые мы можем воспринимать обонянием, исчисляются сотнями тысяч. Но каким образом могут обонятельные рецепторные клетки регистрировать такое множество химических соединений? Чтобы попытаться дать ответ на этот вопрос, нам стоит присмотреться к органам чувств, принципы работы которых нам известны лучше и точнее: глубже всего исследовано в этом отношении зрение. Мы знаем, что палочки отвечают за черно-белое зрение, а колбочки – за цветовое. На самом деле в нашей сетчатке присутствуют колбочки трех различных типов, которые реагируют на световые волны различной длины. Клетки одного типа реагируют на длинноволновое излучение в красном спектре, клетки другого типа – на более короткие волны зеленого цвета, а клетки третьего типа – на еще более короткие волны синего цвета. Когда мы наблюдаем цветную поверхность, происходит стимуляция колбочек соответствующего типа. Если поверхность окрашена в зеленый цвет, то происходит стимуляция преимущественно колбочек, воспринимающих световые волны в зеленом спектре, а клетки двух других типов реагируют в меньшей степени; если поверхность окрашена в синий цвет, то прежде всего возбуждаются колбочки, реагирующие на синие световые волны. Если мы видим предмет бирюзового цвета, то возбуждаются колбочки синего и зеленого типов в равной степени. Когда же мы наблюдаем радугу, то происходит стимуляция колбочек всех трех типов. Специалисты подсчитали, что мы, люди, способны различать до десяти миллионов цветовых оттенков. Некоторые из нас страдают цветовой слепотой; в этом случае отсутствуют колбочки для зеленого цвета, а колбочки двух других типов сохранены. Дальтоники могут различать «всего» 40 000 цветовых оттенков. Таким образом, мы видим, что рецепторы одного дополнительного типа обеспечивают отчетливое увеличение числа различаемых стимулов.

Только недавно мы узнали, как функционируют обонятельные рецепторные клетки. Подобно рецепторным клеткам сетчатки, среди обонятельных рецепторных клеток существуют клетки, реагирующие на различные раздражители. В случае зрения известно свойство, по которому различают разные раздражители: колбочки трех типов соответствуют световым волнам разной длины. Этого оказывается вполне достаточно, ибо цвет определяется именно длиной световой волны. В случае химических соединений такой принцип не работает, так как отличия их друг от друга более разнообразны. Химические соединения могут содержать различные функциональные группы, быть спиртами, альдегидами, кислотами, содержать углеродные цепи различной длины, серные группы и бензольные кольца и многое, многое другое. И все эти вещества имеют разные запахи. Химические соединения, содержащие серу, пахнут тухлыми яйцами, соединения, содержащие бензольное кольцо, обладают ароматным запахом, альдегиды имеют сладковато-фруктовый запах, спирты, понятно, – спиртовой запах, запах алкоголя и так далее. Вещества невозможно упорядочить по запаху на какой-то оси, как это можно сделать с цветами, ориентируясь на длину их волн. Запахи намного сложнее, и для их описания требуется много разных дескрипторов. Вместо одного измерения, такого как длина волны, нам требуется некоторое множество измерений. Для того чтобы добиться адекватного восприятия запахов, недостаточно трех или четырех различных рецепторов, их необходимы десятки, а еще лучше – сотни.

Именно так функционирует рецепторная система обоняния. У нас, людей, существует от 350 до 400 различных типов обонятельных рецепторов, и на каждой рецепторной клетке присутствует рецептор только одного типа. Эти рецепторы реагируют не на какое-то одно пахучее вещество, но на функциональные группы, из которых состоят пахучие вещества. Летучие соединения, содержащие в молекуле спиртовую группу, стимулируют, следовательно, те обонятельные рецепторные клетки, которые реагируют на спиртовую группу. Таким образом, все эти соединения имеют один спиртовой признак, спиртовую ноту. Следовательно, какое-то одно пахучее вещество может стимулировать обонятельные рецепторные клетки разных типов, а единичная рецепторная клетка может реагировать на различные химические соединения. Число возможных комбинаций поистине умопомрачительно, особенно если подумать о том, что большинство пахучих веществ состоят не из какого-то одного химического соединения, но представляют собой смеси многих разных молекул. Например, кофейный аромат образуется в результате взаимодействия сотен различных пахучих веществ.

Обонятельные рецепторы, расположенные в других участках тела

Интересно, что обонятельные рецепторы обнаруживаются не только на обонятельных рецепторных клетках в обонятельной слизистой оболочке. Почти во всех тканях нашего организма, в печени, почках, кишечнике и так далее на клетках располагаются обонятельные рецепторы. Здесь эти рецепторы не имеют никакого взаимодействия с запахами, насколько это сейчас известно, но функция этих рецепторов пока не выяснена. Обонятельные рецепторы обнаруживаются даже на сперматозоидах, некоторые из них реагируют на запах жасмина. Представляется, что эти рецепторы помогают сперматозоиду обнаружить яйцеклетку. Очевидно, яйце клетки выделяют какое-то вещество, которое воздействует на обонятельные рецепторы поверхности сперматозоидов. Это вещество пока не идентифицировано, но, возможно, его обнаружение позволит разработать новые, негормональные контрацептивные средства.

В наших генах заложено строение всех синтезируемых в организме белков, а значит, запрограммировано и строение всех 400 обонятельных рецепторов. Всего эти программы занимают приблизительно 2 % всей нашей генетической информации. Эволюция, как правило, не сохраняет признаки, не важные для способности к выживанию. То, что целых два процента генетической информации зарезервированы для обоняния, означает, что оно очень важно для нашего выживания.

Обонятельный нерв

От обонятельных рецепторных клеток, расположенных в обонятельном эпителии, пучки нервных волокон направляются в головной мозг. Совокупность этих пучков образует I пару черепных нервов – обонятельный нерв. Всего у нас двенадцать пар черепных нервов, и каждый из них выполняет свою особую функцию. Студенты-медики всего мира, изучая анатомию, стараются наизусть затвердить названия и функции черепных нервов, и первой в этом списке значится пара nervus olfactorius, обонятельный нерв. II пара – это зрительный нерв, он проводит в мозг зрительную информацию. III, IV и VI пары черепных нервов отвечают за движения глаз, V пара нервов отвечает за тактильную и болевую чувствительность кожи и слизистых оболочек лица, XII пара отвечает за движения языка. Обонятельный нерв, таким образом, представляет собой совокупность пучков нервных волокон, начинающихся на обонятельной слизистой оболочке. В виде отдельных волокон обонятельный нерв входит в полость черепа позади корня носа, между глаз. Каждый пучок проходит сквозь собственное небольшое отверстие, а в результате весь нерв прободает кость черепа, как решето. Поэтому соответствующая кость называется решетчатой костью, а место, где проходят волокна обонятельного нерва, называется решетчатой пластинкой. Под решетчатой пластинкой находится полость носа, над ней – головной мозг.

Обонятельная луковица

Пучки волокон обонятельного нерва не отличаются большой длиной, они оканчиваются непосредственно над решетчатой пластинкой в структуре, напоминающей вытянутую в длину чечевицу, в обонятельной луковице. Когда анатомы говорят об обонятельной луковице, они имеют в виду не нос, а именно bulbus olfactorius. При резких смещениях головного мозга волокна обонятельного нерва могут подвергаться опасности. В норме головной мозг плавает в цереброспинальной жидкости. Когда мы наклоняем голову или качаем ею, эта жидкость служит амортизатором. Если же мы получаем сильный удар по голове, то может случиться так, что жидкость не может смягчить удар и мозг, смещаясь, ударяется о кости черепа; в таких случаях может развиться ушиб или сотрясение головного мозга. У сотрясения мозга весьма неприятные последствия: головная боль, тошнота, светобоязнь, быстрая утомляемость, а иногда длительная депрессия и тревожность.

Поскольку волокна обонятельного нерва не смещаются вместе с головным мозгом, так как они коротки и прочно фиксированы на решетчатой кости, постольку при резких смещениях головного мозга при его сотрясении может произойти их надрыв или разрыв. Результатом может стать полная или частичная утрата обоняния. Мы провели исследование, в ходе которого изучали состояние пациентов в первые дни после перенесенного сотрясения головного мозга, и выяснили, что в двух третях случаев имело место нарушение обоняния. Самое удивительное заключалось в том, что сами больные не замечали этого поражения; их, естественно, в первую очередь беспокоили другие симптомы сотрясения – головная боль и повышенная чувствительность к внешним раздражениям. Больные, однако, часто жаловались на безвкусную больничную пищу. В главе 6 мы увидим, каким образом связано с обонянием восприятие ароматов пищи. Я со своей стороны уверен, что жалобы пациентов были обусловлены не низкой квалификацией больничных поваров, а нарушением обоняния у самих пациентов.

К счастью, в обонятельном эпителии есть стволовые клетки. Обонятельные нервные клетки вновь возникают в течение нескольких недель после перенесенного сотрясения мозга и отращивают аксоны, восстанавливая связь обонятельного эпителия с обонятельной луковицей. Именно поэтому число пациентов с нарушениями обоняния после сотрясения мозга со временем, прошедшим после травмы, уменьшается, хотя в некоторых случаях нарушения остаются стойкими. Такое случается при кровотечениях или при рубцевании ткани мозга в области решетчатой пластинки, когда заново отрастающие волокна физически не могут достигнуть обонятельной луковицы; в этих случаях поражение становится стойким.

Обонятельный путь

В обонятельных луковицах происходит предварительная обработка обонятельной информации, а затем раздражение передается в центры обонятельного пути, то есть в те области головного мозга, которые отвечают за обработку обонятельной информации, а значит, и за восприятие запахов. Эти центры носят, я бы сказал, поэтические названия: «грушевидная кора», «миндалина» и «гиппокамп» («морской конек»). Здесь обонятельная информация достигает коры головного мозга, и здесь она нами осознается. Особенностью этих центров является то, что они отвечают не только за восприятие запахов и обработку обонятельной информации. В этом заключается особенность обонятельного пути. Для сравнения: центр, расположенный в затылочной доле, обрабатывающий зрительную информацию, так называемая зрительная кора, предназначена только для этой функции. Слуховая кора в височной доле обрабатывает исключительно слуховую информацию. Соматосенсорная кора в теменных долях обрабатывает тактильную, осязательную информацию. Напротив, обонятельные центры являются частью лимбической системы и поэтому решают более обширные и очень важные задачи.

Лимбическая система

С точки зрения филогенетики лимбическая система является древней частью головного мозга и залегает в глубине его ткани рядом с таким же древним стволом мозга. Лимбическая система отвечает за эмоции, которыми она управляет лишь под частичным контролем со стороны других участков мозга. Благодаря лимбической системе мы усваиваем новую информацию и запоминаем ее. Следовательно, к функциям лимбической системы относятся также запоминание и обучение. Центры вознаграждения головного мозга тоже относятся к лимбической системе, то есть это центры, обеспечивающие наше желание заниматься определенными, вознаграждающими видами деятельности: есть, когда мы испытываем голод, пить, когда мы испытываем жажду, заниматься сексом, учиться, получать хорошие оценки и делать многое другое. Многие наркотики стимулируют центры вознаграждения мозга, что становится причиной психологической зависимости, которая поддается лечению с большим трудом.

Обонятельная информация поступает непосредственно в лимбическую систему и активизирует центры головного мозга, отвечающие за память и припоминание, за эмоции и вознаграждения. Именно по этой причине каждый из нас, за исключением тех, кто не воспринимает запахи, может вспомнить случаи, когда запах вызывал сильные и эмоционально окрашенные воспоминания. Вот еще один наглядный пример из моего детства.

Когда мне было восемь лет, в моем родном городе завелся пироман. Однажды ночью я проснулся от воя сирены пожарной машины. Мерцал синий свет, отражавшийся от стен моей комнаты, а в воздухе висел противный запах паленой резины. Этот маньяк поджег автомобиль в нашем дворе. С балкона я смотрел, как храбрые пожарные добровольной команды из Лагундо тушили огонь. Запах, проблески синего маячка, пожарные, вой сирен – все это произвело на меня неизгладимое впечатление. До сего времени, когда я ощущаю запах жженой резины, я непроизвольно вспоминаю ту ночь, и меня даже охватывает страх, тот же самый, который я испытал тогда. Это воспоминание возникает именно от запаха горелой резины, а не от синих мигалок или воя сирен. Это обусловлено тем, что обонятельная информация поступает непосредственно в мозговые центры, отвечающие за память и эмоции, а затем активизирует эти воспоминания. Это лишь один пример из многих, и каждому из нас известен этот «эффект Пруста». Пробуждаемые запахами воспоминания могут причинять и неприятности, о чем мы знаем по рассказам жертв катастроф или войн. Например, солдаты американской армии, пережившие бомбежку и страдающие посттравматическим стрессовым расстройством, не могут готовить и есть барбекю, потому что запах горелой плоти возвращает их в тот страшный день, когда они, возможно, потеряли своих товарищей, и они снова переживают травмирующие события, испытывая те же чувства. Но с запахами могут быть связаны не только страшные и негативные чувства. Например, давно забытый аромат духов может напомнить о былой любви и перенести нас в юность, а запах старых книг способен вернуть нас в годы студенчества. Каждое такое воспоминание, как и вызвавшие его запахи, является сугубо индивидуальным.