Ребекка Шварцлоуз – Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни (страница 19)

Ощущение вкуса является жизненно важным, а ощущение запаха – самым удивительным и загадочным из всех наших химических чувств. Невозможно переоценить значение запахов для представителей всего царства животных. Акулы, змеи, комары, грифы, барсуки и колибри – лишь немногие из тех животных, которые пользуются обонянием в поисках пищи.

Запах может быть показателем социального статуса, как у термитов, распознающих королеву по пахучим выделениям. Запахи управляют репродукцией удивительно разнообразными способами: пятнистая гиена размазывает по траве пахучие анальные выделения, сообщая о своем репродуктивном статусе, а самец одного из видов бычков начинает ритуал многочасового ухаживания, когда чует выделения из яичников фертильной самки. Запах важен для установления родительских и семейных связей и позволяет новорожденным существам узнавать мать и приближаться к ее соскам для кормления. Альбатросы и другие морские птицы с помощью обоняния прокладывают путь над бескрайним океаном[74]. Короче говоря, обоняние важно буквально для всех аспектов жизни животных. Но как животные извлекают необходимую информацию из запахов и какие карты использует для этого их мозг?

Обоняние, или чувство запаха, – это замечательный пример распознавания на молекулярном уровне. Поговорим об обонянии у мышей. В выстилку носовых ходов мыши встроено около 10 миллионов рецепторов примерно тысячи разных видов[75]. Каждая молекула из воздуха может связываться с рецепторами разных видов, и каждый вид рецепторов может связывать несколько разных молекул. В результате мышь способна обнаруживать и идентифицировать намного больше, чем тысячу запахов, хотя имеет только тысячу видов рецепторов.

Когда молекула из воздуха взаимодействует с рецептором в носу животного, связанные с рецептором нейроны посылают в мозг сигнал. Такие сигналы направляются напрямую к двум структурам мозга, называемым обонятельными луковицами, которые выделяются на передней поверхности мозга у мыши, человека и других животных. В правой и левой обонятельных луковицах содержатся подробные карты запахов, свободным образом организованные в виде зон в зависимости от структуры молекул, которые они отображают, например, в зависимости от длины углеродной цепи или принадлежности к группе карбоновых кислот, фенолов или алифатических эфиров. Возможно, химическая терминология ничего вам не говорит, но эта структурная информация – ключ к пониманию того, к какому типу веществ относится данная молекула и, следовательно, насколько она для нас важна. Карта обонятельной луковицы играет роль на первом этапе процесса восприятия запаха, определяя и отображая информацию о том, какого типа молекула попала нам в нос.

Из обонятельной луковицы информация направляется в несколько отделов мозга. Среди них у грызунов и человека лучше всего изучена пириформная кора. Эксперименты показывают, что эта область играет ключевую роль в распознавании новых запахов. Как можно догадаться, учитывая небольшие возможности карт в отображении новой информации, пириформная кора представляет запахи не с помощью карт, а с помощью кода. На рис. 23 показано функционирование этого кода – то, как набор нейронов в пириформной коре мыши отображает разные запахи через разные картины активации[76]. Активно возбуждающиеся нейроны выделены черным цветом, нейроны со слабой активностью – серым.

В настоящий момент о пириформной коре и распределенном кодировании в ней мы знаем больше, чем о каких-либо других отделах мозга, занятых обработкой обонятельной информации. И все же ученые обнаружили в мозге несколько других интересных участков, организованных в виде обонятельных зон. Одна из трудностей в обнаружении таких зон связана со сложным строением обонятельной системы и невероятным разнообразием идентифицируемых молекул и видов рецепторов. В первую очередь трудности возникают из-за того, что запахи можно сгруппировать или связать друг с другом на картах огромным числом способов. Чтобы найти в мозге карту запаха, ученые сначала должны понять, какие признаки или категории следует искать. Это справедливо в отношении всех карт мозга, но в системе обоняния это особенно сложно.

Один подход к обнаружению обонятельных карт мозга заключается в том, чтобы изучать существ с наименее сложной обонятельной системой. Например, канальный сомик, обитающий в реках и озерах Северной Америки, имеет лишь около сотни видов обонятельных рецепторов и распознает только несколько групп молекул, включая нуклеотиды, аминокислоты и соли желчных кислот. Хотя молекулы нуклеотидов и аминокислот достаточно сильно различаются по структуре, обе группы молекул содержатся в живых организмах в большом количестве и для канального сомика означают одно и то же – пищу. Напротив, соли желчных кислот производятся печенью и выделяются с фекалиями или мочой других рыб. Как анальная паста для гиен, так эти соли желчных кислот служат сомам для общения, позволяя узнавать о других находящихся поблизости представителях вида.

Ученые, изучавшие обоняние у сомиков[77], в первую очередь проанализировали карты обонятельных луковиц (рис. 24). Они обнаружили три зоны для трех групп молекул – нуклеотидов, аминокислот и солей желчных кислот. Это соответствует данным для других видов животных: карты обонятельных луковиц организованы в зависимости от структуры молекул запаха. Однако обонятельные луковицы сомиков отправляют информацию в другой отдел мозга рыбы, где ученые обнаружили другую карту запахов. В этом отделе есть лишь две главные зоны – одна для солей желчных кислот и другая одновременно для нуклеотидов и аминокислот.

Рис. 23. Распределенное кодирование в пириформной коре. Художник Пол Ким.

Разница между этими двумя картами запаха небольшая, но существенная. Карта в обонятельной луковице содержит зоны, соответствующие структуре молекул – объективному свойству, характеризующему эти соединения в физическом мире. Но зоны на второй карте соответствуют значимости запахов для животного. Вне зависимости от того, почувствует сом аминокислоты или нуклеотиды, его пищевое поведение будет одним и тем же. Эти две группы молекул передают одинаковую информацию и вызывают одинаковое поведение, тогда как соли желчных кислот несут другую информацию и приводят к другому поведению.

Рис. 24. Карты запаха в обонятельной луковице (справа) и переднем мозге (слева) канального сомика. Художник Пол Ким.

Вторая карта в мозге канального сомика имеет поведенческий смысл. Только таким веществам, которые важны для выживания и размножения рыбы, на этой карте отводятся специфические зоны или отделы, и объединение этих веществ в группы производится в зависимости от того, что животное будет делать в ответ на их сигнал. Сила этой карты в том, что она проясняет и классифицирует важные для рыбы вещества. Как вы можете догадаться, такие карты в голове мыши, льва, грифа и человека различаются. И как мы судим о значении ноздрей пони по искажению его тактильной карты, точно так же мы судим о значении химических веществ для сома на основании его карты запахов.

У мыши тоже обнаружены карты запахов, которые важны для врожденных инстинктивных реакций на запахи[78]. Если вы поместите в клетку с лабораторной мышью каплю 2,3,5-три-метил-3-тиазолина, содержащегося в выделениях лисицы, мышь замрет или постарается удалиться от источника запаха на максимальное расстояние. Хотя лабораторное животное никогда не встречалось с лисицей, его мозг знает, что этого запаха нужно избегать. Мышь инстинктивно сторонится и других запахов, таких как мускусный букет, характерный для мочи рыси. Однако есть запахи, которые инстинктивно притягивают мышь, включая запах арахисового масла и фенилэтиловый спирт, содержащийся в розовом масле.

За эти инстинктивные реакции на запахи отвечает участок мозга мыши, расположенный рядом с пириформной корой. В нем есть отдельные зоны запахов хищников, которых следует избегать, таких как запах мочи рыси, и зоны запахов, которые притягивают, такие как запах арахисового масла. С помощью хитроумной технологии ученые вызывали активацию нейронов в одной или в другой зоне, не подвергая животное воздействию запаха[79]. Когда они стимулировали зону, ответственную за восприятие запаха хищника, мышь замирала или убегала, как если бы хищник был рядом. Когда стимулировали зону притягательного запаха, мышь настораживалась, как будто чувствовала еду. В другом исследовании была обнаружена соседняя зона, ответственная за реакцию на запах мочи мышей противоположного пола[80]. По-видимому, этот участок задействован в обработке химических сигналов, имеющих отношение к спариванию.

Еще многое нужно сделать, чтобы понять организацию мышиных карт запаха, но из приведенных данных следует вывод о существовании как минимум трех зон: одна зона для запаха хищников, одна – для запаха пищи, и одна – для запаха партнеров для спаривания. Каждая зона связана с определенным поведением и, по-видимому, осуществляет связь между обнаруженными мышью веществами и вызванными ими действиями.

Данные исследования проливают свет на строение обонятельных карт мозга и их поведенческое значение у сомов и мышей. Но что можно сказать о человеке? Чтобы найти карты запахов у человека[81], ученым нужно знать, какие зоны или признаки следует искать. У животных строение карт запахов определяется тем, как они используют обонятельную информацию, в частности, как эта информация приводит к действию, связанному с воспроизводством или выживанием. Возникает вопрос: как люди используют запах для выживания, если они его используют?