Расшифрован код восприятия запахов мозгом

Нейробиологи впервые определили ключевые факторы, влияющие на распознавание запахов. Для этого они буквально дирижировали работой мозга животных.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science группой во главе с Дмитрием Ринбергом (Dmitry Rinberg) из Нью-Йоркского университета.

Обоняние — возможно, самое загадочное из человеческих ощущений. И этому есть целый ряд причин.

Во-первых, запахи не имеют простой шкалы для сравнения, подобной длине волны света в случае зрения или частоте звука для слуха. Во-вторых, у живых существ очень много типов обонятельных рецепторов. У человека их несколько сотен, а у мыши около 1200. Наконец, в запахе очень трудно выделить те ключевые компоненты, на которые мы ориентируемся при его распознавании (как, например, при распознавании лиц мы прежде всего обращаем внимание на глаза).

Всё это делает работу биологов, изучающих обоняние, очень сложной. Но учёные не пасуют перед препятствиями и уже выведали у природы многие тайны восприятия запахов.

Так, давно известно, что ключевую роль в этой активности играет специализированный отдел мозга — обонятельные луковицы. Именно туда в первую очередь поступает информация по обонятельному нерву.

В обонятельной луковице есть особые образования: клубочки. Каждый запах активирует те или иные клубочки в той или иной последовательности. Таким образом, нейронный отклик на тот или иной запах имеет индивидуальную структуру в пространстве и времени.

Однако до сих пор не было известно, что в этой структуре важно, а что второстепенно. Если заменить в последовательности один нейрон на другой, будет ли мозг по-прежнему воспринимать тот же запах? Зависит ли ответ от того, какой именно нейрон мы заменили? Одним словом, где в этом здании несущие стены, без которых оно рухнет, а где лепнина «для красоты»?

Ответ именно на этот вопрос искали учёные из США и Италии.

Они использовали генетически модифицированных мышей, нейроны которых можно возбудить, просто посветив на них лучом света (этот метод называется оптогенетикой). Это позволяет буквально дирижировать нейронами, активируя ту или иную клетку в любое время по своему выбору.

Сначала исследователи выбрали набор из шести клубочков и активировали его в определённой последовательности. Картина активации была выбрана так, чтобы она напоминала естественный отклик обонятельной луковицы на некоторый запах. Предположительно, искусственное воспроизведение этой структуры тоже вызывало у мыши ощущение какого-то запаха, хотя спросить у неё мы, конечно, не можем.

Далее экспериментаторы научили животных распознавать этот «запах». Ощутив его, грызун должен был нажать на рычаг. Если мышь правильно ассоциировала запах с рычагом, она получала вознаграждение в виде капли воды (заметим, что перед опытом у зверьков специально вызывали жажду). Если же исследователи создавали совершенно другую, непохожую картину активации клубочков (другой «запах»), жать на рычаг было бесполезно.

Когда грызуны уверенно научились узнавать именно этот «аромат» и не путать его с другими, биологи приступили к самому главному. Они стали менять в картине активации клубочков одну деталь за другой, наблюдая, продолжают ли мыши опознавать «запах», приносящий им утоление жажды.

Выяснилось, что очень важно, какой клубочек из выбранных шести учёные активировали первым. Замена первого клубочка приводила мышь к ошибке в распознавании «запаха» в 30% случаев. В то же время, поменяв местами порядок активации последних клубочков, учёные наблюдали ошибку своих подопытных лишь в 5% случаев.

«Наши результаты [позволяют] впервые идентифицировать код, с помощью которого мозг преобразует сенсорную информацию в восприятие чего-либо, в данном случае запаха», — заявляет Ринберг.

Обобщив полученные данные, биологи построили компьютерную модель. Исследователи сообщают системе, что именно они изменили в картине нейронного отклика на запах, а та вычисляет, с какой вероятностью мышь распознает его после такого вмешательства.

В будущем авторы собираются использовать эту модель, чтобы разобраться с ещё одной тайной обоняния. Их интересует вопрос о минимальном наборе рецепторов, необходимом для восприятия того или иного аромата.

«Теперь, когда у нас есть модель для определения времени и порядка активации клубочков, мы можем узнать тип и минимальное количество рецепторов, необходимых обонятельной луковице, чтобы идентифицировать конкретный запах», — строит планы Ринберг.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как распознавать запахи без обонятельных луковиц. Писали мы и о том, как чувствительность к запахам связана с генами.