Энн-Софи Барвич – Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу (страница 16)

Чтобы понять, что имел в виду Кахаль, давайте еще раз заглянем в глаз. В отличие от обонятельной информации, зрительная информация проходит через многочисленные синаптические связи и многие слои нейронов разных типов, пока не достигнет коры мозга. Только в сетчатке мы видим три слоя чувствительных нейронов, причем каждый выполняет особую функцию. В частности, в сетчатке есть два типа рецепторных клеток и четыре типа нейронов: биполярные, ганглионарные, горизонтальные и амакриновые клетки. В первом слое в глубине сетчатки мы различаем два типа рецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки имеют вытянутое строение, содержат пигмент одного вида и реагируют на переменное освещение (в том числе с низкой интенсивностью). Они отвечают за ночное видение. Колбочки значительно толще и обычно содержат пигменты одного из трех видов, которые резонируют со светом высокой интенсивности и облегчают цветовое зрение.

За этим первым слоем специализированных рецепторных клеток идет второй слой биполярных и горизонтальных клеток. Информация от нескольких рецепторных клеток собирается горизонтальными клетками и передается вытянутым биполярным клеткам, которые также могут принимать входной сигнал напрямую от клеток сетчатки.

В третьем слое сферические ганглионарные клетки сетчатки продолжают собирать информацию от биполярных клеток, а затем отсылать ее из сетчатки по зрительному нерву. Слой амакриновых клеток, аналогичных горизонтальным клеткам, частично служит посредником при передаче информации между биполярными и ганглионарными клетками. Задача такой многоэтапной обработки информации – в улучшении разрешения рецептивных полей, причем при передаче сигнала сохраняется структура «центр – периферия». Прогулка по такому многовидовому лесу взаимосвязанных клеток позволяет дополнительно оценить простоту обонятельной системы, содержащей всего два синапса.

Анатомия обонятельной луковицы поразительно схожа с анатомией зрительной системы. Луковица, как и сетчатка, выполняет свою функцию с помощью клеток разных типов, распределенных по нескольким слоям. В целом ее структура имеет следующий вид. Выходящие из эпителия обонятельные нервы сливаются между собой в так называемом гломерулярном слое (слое клубочков), состоящем из сферических нейронных структур, образующих первый (внешний) слой луковицы. Клубочки иннервированы клетками двух типов: митральными (получившими название за сходство с митрой – головным убором епископа) и более мелкими пучковыми. (Термин «иннервация» означает, что отростки этих клеток далее проводят сигнал в обонятельную кору, создавая первый синаптический контакт обонятельного пути.) Как и в рецепторах сетчатки, эти клубочки связаны между собой в горизонтальном направлении и обеспечивают латеральное торможение соседних клеток (то есть клетки могут ослаблять возбуждение соседних клеток). Если так смотреть, то строение обонятельной луковицы напоминает строение сетчатки как в анатомическом, так и в функциональном плане. Поначалу казалось, что эта гипотеза доказуема: Роберт Вассар и Аксель сообщили, что обнаружили в луковице пространственно дискретных и топологических картин активации стимула[129].

Существование карты луковицы не вызвало удивления по крайней мере у одного человека. Гордон Шеферд защищал идею топографической организации обонятельной луковицы еще до открытия рецепторов. «Я убедился, когда стало понятно, что в обонятельной луковице существует латеральное торможение и что мы имеем такие же электрофизиологические свойства, какие в моторных нейронах. Наконец мы нашли картины, создаваемые запахами, – важнейшее свойство, обнаруженное в соматосенсорной системе, зрительной системе, двигательной системе и т. д. Я думаю, это должно быть справедливо и для запахов». Шеферд считал, что «по сравнению со зрительными путями, которые начинаются в сетчатке и проходят через таламус до зрительной коры, обонятельные эквиваленты всех этих структур как бы сконцентрированы в обонятельной луковице»[130].

Однако в то время молекулярные биологи и физиологи не участвовали в общих дискуссиях и не читали одни и те же статьи. Поэтому, хотя открытие генов рецепторов Бак и Акселем привлекло к себе всеобщее внимание, при появлении первых теорий и проведении Шефердом первых экспериментов по изучению обонятельной системы в целом или луковицы в частности такого немедленно не произошло. В главе 1 мы говорили, что до 1990-х годов не существовало единого сообщества ученых, занимавшихся вопросами обоняния; скорее, это была междисциплинарная группа самых разных специалистов. Даже сегодня в исследованиях запаха продолжает наблюдаться некоторая разобщенность дисциплин.

Шеферд обнаружил локально распределенные картины активации нейронов в луковице в 1970-х годах, вдохновленный трудами английского физиолога сэра Эдгара Эдриана, работавшего в Кембридже в 1940-х и 1950-х годах[131]. Эдриан, удостоенный в 1932 году Нобелевской премии по физиологии, регистрировал возбуждение нейронов луковицы с помощью тонкой магнитной проволоки. Ответы на разные одоранты были выборочными: «По-видимому, молекулы ацетона вызывают возбуждение в основном во фронтальной части органа и в конкретной группе рецепторов в этой области, обладающей к ним специфической чувствительностью». Эдриан выяснил, что локальный рисунок активности зависел от дополнительных факторов, включая концентрацию стимула, однако при этом сохранял основной вид. «В результате электрофизиолог, глядя на серию таких записей, может идентифицировать конкретный запах, который вызывает каждый рисунок». Однако он же спешил добавить: «Мы не должны делать заключение, что мозг идентифицирует запах по такому же критерию».

Шеферд был знаком с Эдрианом: «Когда в 1962 году я заканчивал работу над диссертацией в Оксфорде, я посетил Эдриана, чтобы обсудить, как мои результаты соотносятся с его идеями относительно представления запахов в виде пространственной картины активности митральных клеток обонятельной луковицы. Какой механизм лежит в основе формирования этих пространственных картин? Я не помню подробностей нашей беседы, но помню его последний совет: “Взгляните на клубочки”»[132].

Шеферд продолжил работу с того места, где остановились Кахаль и Эдриан. Он использовал технологию получения изображений, которую незадолго до этого разработал биохимик Луис Соколофф. Этот метод с труднопроизносимым названием «2-дезоксиглюкозный» (2DG) заключается в мечении и последующем обнаружении клеток с помощью авторадиографии, что позволяет определять метаболическую активность в конкретных областях бодрствующего мозга. В 1975 году Шеферд и его постдокторант Джон Кауэр, работая с одним из создателей метода Фрэнком Шарпом, представили первые четкие изображения отдельных локальных картин активации луковицы[133].Выяснилось, что на уровне клубочков тоже возникали центры активности, и, по-видимому, существовала базовая схема обработки сигналов одорантов с разной концентрацией. Вскоре после этого в некоторых других лабораториях тоже начались поиски обонятельной карты, и группы (модули) клубочков стали считать функциональными эквивалентами рецептивных полей сетчатки (см. главу 7).

Как интерпретировать картины активации в луковице? Точнее, как обонятельная луковица превращает случайную активность эпителия в упорядоченную или систематическую карту? Нейрогенетик Питер Момбертс, работавший с Акселем, получил ответ на этот вопрос в 1996 году[134].

Момбертс с коллегами установили интересную генетическую особенность обонятельной системы. Вспомните, как при открытии рецепторов выяснилось, что все обонятельные нейроны чаще всего экспрессируют лишь по одному гену рецептора и, следовательно, синтезируют рецепторы лишь одного типа.

Таким образом в экспериментальном плане чувствительные нейроны служили возможной альтернативой в исследованиях функционального поведения рецепторов. Если идентифицированы лиганды, возбуждающие какой-то чувствительный нейрон, значит, идентифицированы лиганды, активирующие его рецептор. С помощью генетических маркеров можно проследить, с каким участком луковицы эти рецепторы сообщаются посредством соответствующих нервов. Именно это проделал Момбертс.

Он обнаружил, что нейроны, экспрессирующие ген одного и того же рецептора, сходятся в одном клубочке, где сигналы рецептора появляются в виде дискретных пространственных участков. Конвергенция чувствительных нейронов показывала, что при активации специфического диапазона рецепторов под действием какой-то молекулы этот сигнал создает в луковице дискретные участки активности.

Молекула мускуса вызывает не такую картину активации, как молекула с цитрусовым или фруктовым запахом, и каждый одорант вызывает уникальную картину активации, как отпечаток пальца[135].

Изучение рецептивных полей обонятельной системы переместилось из обонятельного эпителия в луковицу. Через 15 лет после открытия рецепторов нейробиология обоняния получила доступ к связям между рецепторами и мозгом.

Quo Vadis[136], обоняние?

В середине 2000-х годов казалось, что обонятельная система действует посредством топографической организации аналогично другим сенсорным системам. Ожидалось также, что пространственное распределение картин активации в луковице воспроизводится в обонятельной коре. На протяжении десятилетия ничто не противоречило этим предположениям. По крайней мере казалось, что фрагменты складываются в единую картину. Интуитивно менее понятным было, какая информация кодируется картой запахов.