Энн-Софи Барвич – Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу (страница 38)

Очень важно четко прояснить это различие. Химию стимулов часто считают синонимом кодирования запахов. Хороший пример – проницательная статья Йонга о проекте DREAM Challenges «Ученым не удается реверсивный анализ запаха». Если вы читаете внимательно, то обнаруживаете, что недостает одного понятия – рецепторов. В большинстве популярных отчетов о проблеме моделирования обоняния ничего не говорится о рецепторах, которые взаимодействуют с химическими стимулами и определяют отбор признаков. Но рецепторы – это ключ к пониманию того, как обонятельная система превращает молекулярные свойства в информационную картину на уровне нейронов. Как в нашем примере с наследованием: здесь в качестве решения мы выбрали морфологическое описание без учета механизма передачи, определяющего единицы наследования.

Мейнленд сформулировал критический вывод: «Единственный случай, в котором важно [учесть биологию], это когда вы извлекаете из биологии то, чего нет среди используемых нами вещей». Есть ли у нас веские причины считать, что знание биологии приведет к другой модели стимула в кодировании запахов?

На самом деле такие причины есть.

Черный ящик биологии

Все начинается с рецепторов. Их значение для теорий кодирования запахов переоценить невозможно. В Главе 2 говорилось о том, что обонятельные рецепторы – это рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCRs), которые располагаются на ресничках обонятельных нейронов назального эпителия. Клетки распределены в эпителии случайным образом (хотя некие зоны экспрессии генов в эпителии существуют)[277]. Эти клетки постоянно изменяются по мере отмирания и обновления рецепторов. Обонятельная система постоянно осуществляет оборот чувствительных клеток. (Эпителий – единственная часть тела, где нервные клетки встречаются с внешним миром, и это прекрасная мишень для инфекции. Если бы эпителий непрерывно не возобновлялся, после двух или трех простуд мы бы не чувствовали никаких запахов.)

По мнению Грира, именно в этом особенность обоняния: «Представьте себе, что это единственный отдел центральной нервной системы, где популяции сенсорных нейронов регулярно погибают и заменяются новыми популяциями сенсорных нейронов, которые затем правильным образом отправляют свои аксоны в правильную часть обонятельной луковицы, чтобы встретиться с другими похожими аксонами». То, что система непрерывно обновляется, определяет ее взаимодействие с непостоянными и непредсказуемыми стимулами. Зона контакта, в которой нос сканирует запахи, постоянно находится в состоянии строительства. И это не единственный необычный признак.

Обонятельные рецепторы в зоне контакта с внешней средой активно структурируют входные сигналы – в такой степени, что дальнейшие рассуждения об отражении запахов на уровне нейронов необходимо начать с рассказа о рецепторах и их связывающей активности, по аналогии с моделью входных сигналов в зрительной и слуховой системах (см. главу 5). Хотя все чувствительные клетки действуют избирательно, обонятельные рецепторы выделяются на общем фоне по нескольким причинам.

Во-первых, существует зависимость стимула от рецептора, то есть то, что система может делать со свойствами физических стимулов. Цветовое зрение имеет дело с электромагнитными волнами, а это стимулы с низкой размерностью. Рецепторные клетки, колбочки, настроены на специфические участки спектра видимого света. Их рецепторы действуют по принципам сложения и вычитания в сочетании друг с другом. Это приводит к модели прямой зависимости между стимулом и свойством, скажем:

a = n

Красная часть видимого спектра имеет длину волн примерно от 390 до 700 нм.

Такая модель позволяет осуществлять расчеты цветовых сочетаний:

x – y = z

«Белый» минус «зеленый» дает «розовый».

Хотя рецепторы запахов тоже настроены на специфические признаки и действуют комбинаторным образом, на этом сходство заканчивается. Физические характеристики молекул запахов значительно отличаются от характеристик зрительных сигналов и не поддаются таким расчетам. Обонятельные стимулы имеют многомерное молекулярное строение. Пространство стимулов и рецепторов в обонянии не определяется суммированием, как в системах зрения или слуха.

Это различие можно ярко проиллюстрировать на примере альдегидов, особенно нециклических. Нециклические альдегиды могут иметь углеродную цепь разной длины (эти органические соединения очень популярны в парфюмерии; Chanel № 5 – это первые духи, созданные почти полностью из синтетических веществ, в частности, из ряда альдегидов). Альдегиды с разной длиной цепи имеют разный запах. Альдегид С8 имеет жирный запах, альдегид С10 – цитрусовый, а альдегиды с более длинной цепью пахнут цветами. Однако в отличие от цвета и длины волны кумулятивная модель не позволяет связать число атомов углерода с качеством запаха. Кроме того, невозможно применить химические закономерности для альдегидов к другим нециклическим одорантам, например, к спиртам с разной длиной цепи (бутанол с цепью из четырех атомов углерода имеет аптечный запах, гексанол с цепью из шести атомов углерода пахнет зеленью, а октанол с цепью из восьми атомов углерода – пряностями).

Кодирование запаха не укладывается в предсказательную модель «стимул – реакция» типа «любой одорант с углеродной цепью С8 при добавлении еще одного углерода приобретает запах черешни». Это совсем не так. Важнейшее различие между стимулами с низкой размерностью в зрительной или слуховой системе и многомерными стимулами обонятельной системы в том, что в последнем случае аддитивная шкала[278] не отражает механизм кодирования.

Грир сравнивает кодирование на уровне рецепторов в системах обоняния и слуха: «Полагаю, вы согласитесь, что, поскольку базилярная мембрана обеспечивает непрерывность ответа на все звуки от высокой до низкой частоты, здесь тоже существует возможность для комбинаторного кода. Когда вы берете музыкальный аккорд, вы стимулируете разные части мембраны, что приводит к восприятию музыки». Но в кодировании обонятельного стимула нет переходов в диапазоне какого-то одного ключевого признака. «Есть непрерывный ряд звуков, которые вы можете нанести на карту, – добавляет Фаерштейн. – В обонянии такого непрерывного ряда нет. Нет непрерывного перехода между альдегидами и кетонами. Или какими-то другими химическими группами или классами молекул».

Любая модель, цель которой – создание карты, связывающей перцептивное обонятельное пространство с пространством стимулов, должна учитывать, что кодирование запаха не линейное или кумулятивное. Рецепторы запахов взаимодействуют с несколькими тысячами разных параметров молекул, не имеющих какой-либо непрерывной связи или шкалы. Следовательно, не существует универсального способа разделить физическое пространство одорантов «в местах сочленения», как длина волн видимого света или слышимые частоты. Обонятельные рецепторы «осмысляют» примерно пять тысяч параметров частиц, включая стереохимическую конфигурацию, молекулярную массу, гидрофобность, функциональные группы, полярность, кислотность и так далее. Вот что подразумевается под многомерностью пространства стимулов.

Обонятельные рецепторы определяют спектр химических свойств, которые транслируются в виде сигнала. Однако они не расщепляют стимулы на однородные регулярные фрагменты, как это делают колбочки глаза. Вы не найдете групп рецепторов для каких-то специфических химических свойств, скажем, одну группу для углеродной цепи и другую – для полярных поверхностей. Рецепторы выбирают разные свойства. Более того, они различаются по диапазону выбираемых свойств (и сочетаний свойств). Скажем, у вас есть рецептор, реагирующий на молекулы с кольцевой структурой с полярной поверхностью, но только определенного размера, а не на любые кольцевые структуры с полярной поверхностью. А теперь перемножьте эти сочетания сотни или даже тысячи раз! Химические признаки определяют пространство стимула. Но они не соотносятся равномерно со всеми рецепторами. Такое мозаичное кодирование объясняет, почему некоторые данные могут соответствовать моделям, связывающим структуру молекул с их запахом. Но не подтверждает возможность предсказания таких закономерностей.

Если диапазон восприимчивости колбочек к длине волны определяет цвет, почему поведение обонятельных рецепторов не определяет запах? Нейробиологи соглашаются, что формирование обонятельного образа строится на картинах активации рецепторов[279]. Однако остается неясным, действительно ли эти картины соответствуют традиционным принципам химии запахов. Может ли изучение поведения рецепторов опровергнуть предпосылки к модели «стимул – реакция»?

Да, может. В двух исследованиях, проведенных в лаборатории Фаерштейна в 2016 и 2018 годах, были сделаны попытки ответить на один простой вопрос: так ли рецепторы классифицируют стимулы, как это делают химики?[280] Химики классифицируют молекулы запаха в соответствии с важными химическими группами и функциями. А группа Фаерштейна регистрировала ответы рецепторов (этот подход в фармацевтике называют медицинской химией). Идея эксперимента проста, но никто раньше до нее не дошел. «Это придумала Зита, – комментирует Фаерштейн, имея в виду своего бывшего постдокторанта Зиту Петерлин. – Я думаю, она видит эти химические структуры, как никто другой. Почти как в фильме «Игры разума». В этих молекулах она видит такие закономерности, которых не видит никто».