Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Лишь небольшое число исследований было посвящено изучению предсказательных возможностей носа. Одно из ранних исключений – работа Уолтера Фримана из Беркли. В 1980-х годах он предложил нелинейную динамическую модель обработки обонятельных сигналов, которая напоминает современные идеи о предсказательном мозге[342]. Фриман предположил, что такие участки мозга, как луковица, принимают ряд устойчивых состояний с равновесной активностью нейронов, предпочитая так называемые «аттракторные состояния», или «аттракторы». В обонятельной системе вдох и выдох определяют восприимчивость этих равновесных состояний в отношении информации от внешних стимулов (в конце выдоха и начале вдоха) или интеграции информации во внутреннюю активность нейронов (при выдохе). На фоне этой постоянной активности обонятельные стимулы могут распознаваться как уже знакомые или усваиваться как новые. Знакомые запахи вызывают сложившуюся пространственно-временную картину активности. Незнакомые запахи сначала вызывают хаотическую активность, а затем формируют собственную пространственно-временную картину на будущее. В данном случае хаос – это условие для обучения, так что мозг не может спутать картину нового запаха с картиной уже знакомого.

Модель Фримана опередила время в изучении представления запахов на уровне нейронов. Фриман предполагал, что для распознавания запаха важна активность всей луковицы.

Пространственно-временные картины не были «отображением запаха», поскольку один и тот же запах может вызывать разные картины активности. Эти картины определяются не только специфическим фоновым состоянием животного (Фриман работал с кроликами), но также поведением, вызванным обонятельным стимулом. Когнитивист Энтони Чемеро приводит пример: «Если кролик научился связывать определенное поведение (скажем, выделение слюны) с определенным запахом (скажем, моркови), в его обонятельной луковице воспроизводимо повторяется характерная картина активации. Но если кролик научился другому поведению (скажем, съеживаться) при появлении запаха моркови, в луковице будет появляться другая картина активации. И поэтому [Фриман и его коллега Кристин Скарда] заявляли, что картина активации не может быть отображением запаха моркови»[343].

Фриман отвергал идею того, что отображение запаха – корреляция активности нейронов в соответствии с фиксированными схемами или матрицами. Он понимал характерные картины активации нейронов как способ, с помощью которого мозг заучивает связь между стимулом и ответом. Один и тот же стимул может вызывать разные картины активации в зависимости от контекста принятия решения (разное поведение или сочетание сигналов с разной модальностью).

Бывшая студентка Фримана Лесли Кей комментирует идею нелинейной динамики: «Это, очевидно, хорошая метафора. Система действует так, как если бы была хаотичной… Но система не закрытая, так что доказать это невозможно». Но изучить ее эффекты можно: «Уолтер показал, что картина изменяется при изменении ассоциаций с запахом. Изменяется не только эта картина, но и другие картины для других запахов тоже изменяются. Каждый раз, когда вы чему-то учитесь, организация луковицы перестраивается». В своих исследованиях она тоже обнаружила эти эффекты[344]: «С помощью поведенческих реакций мы индуцировали осцилляции мозговой активности, которую хотели изучать. Если мы слегка корректировали задание, чтобы животному легче было обучаться, мозг изменял способ решения этой задачи. Последовательность та же самая и отсчет времени примерно такой же. Это предсказуемо. Но амплитуда меняется и в значительной мере зависит от задачи: сколько задач уже умеет решать животное, какой запах вдыхает, на какой стадии обучения находится, привыкает ли оно к первой серии запахов или к следующим сериям».

Обоняние – это система решения задачи с очень непостоянными стимулами, непредсказуемыми как для внешнего источника, так и для структурных перестановок. Для развития идеи предсказательного мозга в рамках современной когнитивной нейробиологии очень важно понимать, как мозг обеспечивает гибкое поведение, соответствующее такому хаотичному миру. Что именно обоняние может сообщить о конкретных клеточных механизмах в основе функционирования предсказательного мозга?

Измерение мира