Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Однако по-прежнему не хватало важнейшего звена. Чтобы подтвердить, что активность луковицы представляла собой карту стимулов, ученым нужны были рецепторы – зона контакта с входным сигналом, определявшая взаимодействие стимулов с обонятельной системой. Фаерштейн поясняет: «Очень небольшая часть [нейробиологических исследований] была направлена на изучение запаха. Ученых интересовала схема обонятельной луковицы. Что с чем связано и каким образом? В каком направлении движутся сигналы? На самом деле большой объем работы можно сделать без использования запахов». Для сенсорной физиологии это не такая уж необычная стратегия. «Огромное количество данных о передаче сигналов в сетчатке получено без использования света», – подчеркивает Фаерштейн.

Когда стало ясно, как сигнал структурирован на уровне рецепторов, все ожидали, что это должно находить отражение в разных отделах мозга. С открытием Бак и Акселя ученые получили недостающий фрагмент паззла.

Следующий этап казался очевидным: связать химию стимулов с картиной активации луковицы через конкретные рецепторы. Сообщество ученых, занимавшихся обонянием, начало лихорадочно искать код. Однако кодирование на уровне рецепторов оказалось более серьезной проблемой, чем ожидалось. Представьте, что у вас есть несколько сотен или даже тысяча типов рецепторов. Рецепторы активируются комбинаторно и распределены в эпителии случайным образом. «Как мозг может узнать, какие клетки активируются конкретным запахом?» – подытоживает Аксель.

Ответ был получен в 1996 году. Бывший постдокторант Акселя в Колумбийском университете, а теперь директор лаборатории во Франкфурте Питер Момбертс обнаружил, что обонятельная система обрабатывает случайные сигналы от рецепторов весьма хитрым способом[322]. Казалось, что каждая сенсорная клетка имеет рецептор только одного типа, но, согласно Момбертсу, сомнения в универсальности правила «один рецептор – один нейрон» можно было отбросить[323]. Аксель объясняет: «Выяснилось, что [у мыши] тысяча рецепторов и все клетки с одним и тем же рецептором, вне зависимости от их расположения в носу, отправляют сигнал через череп на первую станцию в мозге, где все они сливаются в определенной точке – в клубочках».

Это просто мечта инженера. Принцип «один рецептор – один нейрон» сокращал уровень сложности на последующих этапах по сравнению с чрезвычайно сложной организацией на уровне рецепторов. Поскольку обонятельная система отличается невероятно запутанным устройством, Грир отмечает: «Если вы пытаетесь представить путь от обонятельного эпителия к обонятельной луковице, это совершенно очевидно самый хаотический путь во всей нервной системе. У вас примерно 1,2 или 1,3 миллиона клеток на каждой стороне носа, и каждая клетка происходит из какой-то определенной точки внутри обонятельного эпителия. Затем ее аксон должен отправиться [в обонятельную луковицу], где он сольется с другими аксонами клеток с рецептором того же запаха».

Если бы аксоны не сливались друг с другом в соответствии с типом рецепторов, невозможно было бы представить, как обонятельная система различала бы входные сигналы.

Внезапно перед учеными открылись новые экспериментальные возможности. Теперь можно было следить за сигналами от рецепторных клеток в эпителии напрямую до того места в луковице, где происходит их слияние.

Аксель вспоминает: «Мы брали зонд для конкретного рецептора и предполагали, что нам удастся проанализировать путь сенсорного нейрона из эпителия в мозг по наличию РНК рецепторов в мозге. Мы считали, что, возможно, какая-то РНК присутствует в клеточных отростках, в аксонах. И поэтому мы сделали то, что называется гибридизацией in situ [использование нити комплементарного генетического материала в качестве зонда для определения локализации специфических тканей] и просто искали РНК рецепторов в мозге. И мы действительно увидели точки. Все рецепторы узнавали разные локусы в луковице. Потом Момбертс показал экспериментальным путем, что эти локусы соответствовали клубочкам. В то время это был сумасшедший эксперимент. Но он сработал!»

Эксперимент Момбертса имел колоссальное значение: для каждого запаха должна существовать своя картина активации. Фиксированный код клубочков соответствует разным запахам. Например, цитраль активирует специфический набор клубочков {G1; G5; G6; G204}, а мускус кетон активирует набор {G5; G6; G30; G50; G400; G420}. Если вы нюхаете эти вещества, а мы в это время проводим функциональную магнитно-резонансную томографию вашего мозга и регистрируем вашу реакцию на два вещества, мы увидим в двух случаях заметно различающиеся картины активации нейронов.

«Так родилась идея, что клубочки представляют собой функциональные единицы, – заключает Фаерштейн. – Имеется в виду, что каждый клубочек занимается определенным набором запахов и упорядочивает свойства запахов, создавая некую пространственную организацию».