Нейрогастрономия. Почему мозг создает вкус еды и как этим управлять - Гордон Шеперд

Схемы активности в обонятельной луковице крысы, полученные при помощи фМРТ, были дополнены результатами исследований методом 2-ДГ: разные запахи активировали разные схемы; схемы имели медиальную и латеральную (то есть серединную и боковую) проекции; в обеих обонятельных луковицах (это парный орган) наблюдались схожие схемы активности; количество задействованных в схеме активности клеток увеличивалось пропорционально повышению интенсивности запаха-раздражителя. Теперь мы могли использовать метод «фМРТ высокого разрешения» для поиска ответа на один из фундаментальных вопросов обонятельного восприятия – отличаются ли схемы активности в обонятельной луковице при стимуляции одного животного разными, но химически сходными запахами?

РАЗНЫЕ РЕЦЕПТОРНЫЕ РЕАКЦИИ – РАЗНЫЕ СХЕМЫ АКТИВНОСТИ

Ответ на этот вопрос мы решили искать уже в опытах на мышах. В те годы именно они считались лучшими подопытными животными для генетической модификации за счет короткого цикла размножения; это позволяло промаркировать различные группы клеток обонятельных рецепторов и соотнести их со схемами активности.

Мыши гораздо мельче крыс, и это существенно затрудняет их изучение при помощи фМРТ высокого разрешения. В отличие от взрослой крысы, средний вес которой составляет порядка 300 грамм, а то и больше, мышь может быть в десять раз меньше и весить всего лишь 30 грамм. Обонятельная луковица мыши пропорциональна ее размеру, а потому в разы меньше, чем у крысы. Правда, к тому моменту наши коллеги стали работать с магнитом до 7,6 Тл; магией тонкой настройки они довели разрешение снимков до показателей, близких к 100 мкм2 (0,0001 мм2), что примерно соответствует размеру мышиных гломерул.

Проведение столь тонких экспериментов взял на себя аспирант лаборатории фМРТ Фукианг Хсю; в качестве раздражителя он использовал те же изомеры альдегидных молекул со скелетом от четырех до восьми атомов углерода, которые использовались для изучения рецепторов OR-I7, рассмотренного в главе 5. Обоняние животных стимулировалось раздражителями, магнит гудел, мы же обзаводились новыми снимками фМРТ. Как и в случае с методом 2-ДГ, снимки накладывались на анатомические изображения, таким образом происходила реконструкция схемы гломерулярной активности.

КРАТКО О ДОКАЗАТЕЛЬСТВАХ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОБРАЗОВ ЗАПАХА

Основная идея показана на рис. 8.1. С левой стороны молекула запаха активирует рецептор, проникнув в его связующий «карман». На диаграмме изображен расположенный в полости носа пласт рецепторных клеток. Как уже упоминалось в главе 7, каждая рецепторная клетка передает свою реакцию в обонятельную луковицу; по нервному волокну (аксону) импульс от возбужденного рецептора передается в гломерулу. Все клетки с одинаковыми рецепторными молекулами, как правило, сопряжены с парой гломерул, расположенных на медиальной и латеральной сторонах обонятельной луковицы. Следовательно, при возбуждении отдельного рецептора сигналы всех клеток сосредотачиваются в этих молекулах-гломерулах. Получается, что хоть сколько-то возбужденные рецепторные клетки приводят к пропорциональной активации соответствующих им гломерул. Задействованные гломерулы складываются в узор, который мы и называем схемой активности.

Характерной чертой образов запаха является способность частично совпадать с другими образами, напоминать, но при этом отличаться.

В нижней половине рис. 8.1 показаны три схемы активности, запечатленные методом фМРТ в медиальной проекции, – эти схемы соответствуют обонятельной реакции на три близкие по структуре альдегидные молекулы запаха. Вы можете сравнить нижнюю часть левой схемы (ту, что отмечена скобкой) с изображенной в верхней части иллюстрацией медиальной проекции обонятельной луковицы. Отраженные на этих схемах молекулы являются изомерами и отличаются лишь количеством атомов в углеродном скелете (от четырех до шести).

Рис. 8.1. Формирование образа запаха. Верхняя часть: клетки обонятельных рецепторов рассредоточены по различным зонам обонятельного эпителия. Показан процесс передачи информации от задействованных в реакции рецепторов по аксонам в объединяющую гломерулу обонятельной луковицы. Градация серого цвета демонстрирует разные уровни активации гломерулярного слоя. Нижняя часть: плоскостные карты схем активности гломерулярного слоя, вызванные при стимуляции обоняния тремя разными молекулами запаха, отличающимися друг от друга лишь на один атом углерода. (Составлено по материалам статьи G. M. Shepherd, Smell images and the fl avour system in the human brain, Nature 444 [2006]: 316–321/

Эти пространственные схемы следует воспринимать как проекцию информации, переносимой молекулами запаха. По аналогии с системой зрительного восприятия, где схема активности на сетчатке называется визуальным образом, мы можем назвать схему на обонятельной луковице обонятельным образом, или же образом запаха. Подводя итоги, можно сказать, что характерными чертами образа запаха является способность задействовать в схеме активности большую часть обонятельной луковицы и частично совпадать с другими образами, но при этом оставаться разными. Как и в случае схем активности, полученных методом 2-ДГ, образы запаха увеличиваются в объеме по мере повышения концентрации обонятельного раздражителя.

ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Мы знаем, что схемы активности разные, даже когда их зоны активности отчасти пересекаются; но знает ли об этом мышь? Способна ли она своим поведением показать, что различает запахи, столь близкие на молекулярном уровне? Для этого эксперимента ко мне присоединился Маттиас Ласка. Ласка был ведущим психологом исследований обонятельного восприятия приматов и иных животных. Вместе с аспирантом Йельского университета по имени Дипа Джоши они проводили эксперименты с помощью поведенческого ольфактометра – пластикового ящика с двумя небольшими отверстиями для подачи двух разных запахов. Животных обучили принюхиваться к обоим запахам и подавать сигнал в случае, если они отличаются; за это им давали небольшое поощрение. Внутри ольфактометра находилась сложная конструкция из стекла, тефлоновых трубок и вентилей, позволяющих управлять чистотой запахов и подавать их краткими вбросами.

В результате серии опытов было установлено, что мыши прекрасно отличают друг от друга даже почти идентичные молекулы запаха. Это относится как к молекулам с разницей в один атом углерода, так и к тем, где разнятся два и более атома. Выявленная дискриминационная чувствительность обоняния оказалась в разы выше, чем у иммунной системы; там, как уже упоминалось в главе 4, эпитоп (участок молекулы антигена, соединяющийся с антителом) состоит из белковой цепочки в дюжину или более аминокислот. Сравните это с чувствительностью, позволяющей распознать разницу в один атом углерода, – такая восприимчивость возносит обоняние на недосягаемые для прочих сенсорных систем высоты.