Энн-Софи Барвич – Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу (страница 36)

Нейробиолог Чарли Грир из Йельского университета напоминает о корнях проблемы: «Одна из самых больших сложностей в том, что мы не понимаем химии системы. Мы до сих пор не разобрались, что является лигандом и как он взаимодействует. Это резко контрастирует с физиологией соматосенсорной системы, где мы очень подробно изучили рецепторы горячего, рецепторы холодного и рецепторы давления. Или зрительной системы. Или системы слуха. Во многих отношениях все они, по крайней мере по моему мнению, сравнительно просты по сравнению с обонянием».

Рассуждения о стимулах могут быть поняты неоднозначно. Даже в отношении зрения мы говорим о двух разных вещах. Одна – находящийся на расстоянии от нас предмет (линия на экране). Другая – причинный стимул, а именно фотоны, попадающие на сетчатку глаза. Очевидно, что это разные проявления предмета. У фотонов нет контуров или углов. У них нет формы или длины. У них нет никаких свойств, которые мы обычно приписываем видимым предметам. Они являются результатом отражения от поверхности, и наша зрительная система использует их в качестве меры отдаленного объекта. Наша способность видеть отдаленные предметы в пространственном измерении связана с тем, что причинный стимул ведет себя пространственно при взаимодействии со зрительной системой (см. главу 5). Видимые предметы воспринимаются объемными, поскольку пространственные измерения (такие как расстояние и размер) являются важной частью информации, которую наше зрение извлекает из отражений от их поверхности.

А как ведет себя стимул при взаимодействии с обонятельной системой? Мы не найдем ответа, если будем изучать молекулы запаха в изолированном виде. Такой подход мы не используем даже в моделях зрительной системы. Стюарт Фаерштейн подчеркивает: «По большей части нас не волнует физика фотонов. Физики, занимающиеся частицами, провели огромную работу по изучению фотонов. Это волны? Это частицы? Для специалистов по зрению это почти неважно. Их интересует оптика, все дело в оптике. Но только по той причине, что им нужен оптический стол для доставки стимула».

Причина доминирования химического подхода в изучении обоняния – в историческом контексте. В XX веке химия предлагала лучшие экспериментальные возможности для изучения запахов. И отчасти этот подход сохранился.

«В нашей области сохраняется такой общий мотив – от молекул к восприятию», – замечает Фаерштейн. На протяжении десятилетий предполагалось, что существуют правила, связывающие химический сигнал с мысленным образом. И сегодня обонятельную информацию все еще анализируют так, будто она закодирована в структуре стимула, тогда как все остальное, включая рецепторы, является молекулярными деталями биологического аппарата. Отслеживая путь сигнала от рецептора в мозг, мы получаем более или менее линейную модель, как определение контуров предметов в зрительной системе. Однако эта модель справедлива лишь в том случае, если рецепторы реагируют на молекулы запахов, как предполагают химики. Но это не так.

Биология рецепторов подчиняется собственным законам. «Проблема идеи о корреляции между молекулами и восприятием в том, что она идет от химии к психофизике, – комментирует Фаерштейн. – О чем мы забывали все эти годы? О биологии!» Через 25 лет после открытия обонятельных рецепторов и после столетия изучения химии стимулов мы обязаны спросить: как работает эта система? «Теперь мы должны опять подключить биологию, – заявляет Фаерштейн. И продолжает: – Но когда мы подключаем биологию… она не встраивается. Она не встраивается в эту прекрасную историю о связи химической структуры с психофизическим восприятием. Вместо этого происходит множество других вещей».

В предыдущей главе говорилось о том, что обработка обонятельного сигнала не сводится к отражению отдаленного стимула в качестве внешнего предмета, а связана с топологией, создаваемой сенсорной системой. В этой главе мы исследуем, почему между химией стимула и топологией его нейронного представления имеется значительное различие. Теперь мы поговорим о том, как биология воспринимает химию.

Очевидный путь

Химия кажется удобной отправной точкой для начального научного интереса к биологии обоняния. «Именно так продвигались исследования обоняния на протяжении долгого времени, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку в этом есть химический смысл, верно? Все молекулы, запах которых мы чувствуем, по большей части являются органическими соединениями. И вы знаете, что есть целая область, называемая органической химией. Естественно, вы ожидаете, что они в этом разбираются. Они дают названия этим молекулам, они их экстрагируют, синтезируют. Они организуют весь этот химический спектакль. Вполне резонно полагаться на химиков-органиков в организации и классификации химических соединений, с которыми они постоянно работают. А мы [нейробиологи] этого не делаем, поскольку мы их только используем».

Нейробиологу нет нужды начинать с нуля. Когда на сцену вышла биология, химия запахов уже существовала. «Не нужно думать, что это окончательный ответ, – комментирует Гордон Шеферд, – однако это совершенно определенно инструмент для более углубленного понимания. Это почти список способов представления входящего сигнала. По моему мнению, простейшая идея – поскольку именно в соответствии с ней происходит анализ большинства чувств – в том, что вам нужно знать, в какой части сенсорного сигнала вы находитесь, чтобы затем стимулировать его отдельные части. Как в поле зрения. А потом понять, в какую часть системы в мозге смотреть».

Но в исследовании обоняния этот подход усложняется из-за огромного количества рецепторов. Ричард Аксель отмечает: «Если у вас есть тысяча разных клеток, а запах активирует сотню рецепторов, число возможных комбинаций превышает число атомов во вселенной! То есть это много, очень много. Это немедленно дает вам возможность распознать столько молекул, сколько вы можете встретить за всю жизнь». Это откровение неизбежно меняет представление о кодировании запаха.

«Нам показалось, что теперь мы можем применить биологию, – замечает Фаерштейн. – Сначала была идея попробовать подогнать биологию и рецепторы под то, что нам уже было известно из химии и психофизики. И биология должна была просто в это встроиться. Как оказалось, так не работает. Но было логично думать в этом направлении или начинать оттуда».

Стимул по-прежнему остается в центре теорий обоняния. Может ли современная наука об обонянии, дополненная знанием о биологии рецепторов, продолжать строиться на связи структуры молекул и их запаха? Сравнивая прошлое с настоящим, мы наблюдаем скрытый онтологический сдвиг.

За последние годы в нескольких исследованиях предпринимались попытки установить связь между структурой молекул и их запахом путем анализа больших массивов данных. В рамках этих исследований с помощью искусственного интеллекта были созданы компьютерные модели обонятельных стимулов, которые могли бы прояснить связь между химией и психофизикой. Этот подход также ознаменовал появление нового поколения ученых среди специалистов по обонянию.

Как замечает Андреас Келлер, проверка новых методов для решения старых проблем не требовала больших усилий: «Было очевидно, что нужно пробовать». Его коллега Пабло Мейер соглашается: «Есть лишь пара очевидных вещей, которые нужно сделать. Я имею в виду, почему бы их не сделать?» Джоэль Мейнленд считает, что такие методы, как машинное обучение, способствовали этому сдвигу, что также отражало теоретико-познавательный разрыв с традицией: произошел переход от объяснения к предсказанию. Машинное обучение представляет собой «новый набор методов, которые еще не были усвоены этой сферой исследований».

Компьютерные технологии обещали вскрыть код носа с помощью более сложных методов, большего количества данных и лучших методов их обработки. Нейроинформатик Рик Геркин считает: «Вы можете ответить на частные вопросы здесь и там, но чтобы ответить на вопросы такого плана, как размерность пространства в обонятельном восприятии или количество существующих запахов, нужно иметь много данных, а для сбора значительного объема данных нужно много времени, это стоит немалых денег, а большинство мест, где изучают обоняние и психофизику обоняния – это скромные лаборатории, которые не могут позволить себе ответы на эти вопросы». Одной из серьезных проблем новых компьютерных исследований были данные. Как заметила Лесли Воссхолл, «большая часть теоретических работ [в области обоняния] была основана на одном наборе данных тридцатилетней давности. Почему никто их не обновил?» Этот старый набор данных назывался «Атлас характеристического профиля запахов» (см. главу 3). Как рассказывает Воссхолл, Эндрю Дравнек «в начале 80-х составил большой список для использования на северо-востоке Соединенных Штатов для людей, родившихся в период демографического взрыва. Но очень многие слова из этого списка не имеют смысла для тех, кто принимал участие в наших исследованиях». – И добавляет: «Все подобные списки… стареют, очень сильно зависят от культурной среды и работают на определенном историческом этапе и для конкретной целевой аудитории».