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

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

У человека есть несколько тысяч модулей, каждый из которых реагирует независимо от других. Они выступают в роли «меченых линий». Вместе с тем аксиома теории сигналов также подразумевает, что ресивер – то есть мозг – не понимает содержащуюся в этих меченых линиях информацию, покуда ему не с чем их сравнивать. Следовательно, должны существовать и некие механизмы, позволяющие сравнивать и выявлять корреляцию между активностью разных линий; а именно – механизмы латерального взаимодействия между гломерулярными модулями. Эти взаимодействия возможны благодаря вставочным нейронам, соединяющим соседние гломерулы; они называются перигломерулярными клетками (см. рис 7.1).

В ходе физиологических исследований было установлено, что перигломерулярные клетки реагируют на поступающую информацию о запахе одиночными импульсами, или всплесками импульсной активности. Одним из выявленных физиологических эффектов является ингибиция дендритов митральных и пучковых клеток, исходящих из близлежащих гломерул. Предположительно, благодаря этому более активные гломерулы способны подавлять активность своих менее активных соседей, так же как это происходит в процессе латеральной ингибиции. Такие взаимодействия повышают отношение сигнал/шум и четкость восприятия образа запаха.

Еще одним видом межгломерулярных взаимодействий является возбуждение. Оно может происходить как благодаря непосредственному вовлечению возбуждающих синапсов, которые есть у подвида (перигломерулярных клеток с возбуждающими нейромедиаторами), так и за счет особого типа ингибиции. Такая ингибиция происходит благодаря воздействию возбуждающего аксона перигломерулярной клетки на находящуюся на расстоянии клетку-ингибитор, что вызывает удаленную, но локальную ингибицию митральных и пучковых клеток целевой гломерулы.

В ходе исследования, проведенного в 2003 году Майклом Шипли и его коллегами из Мэрилендского университета, были получены доказательства существования этого механизма взаимодействия. Целью некоторых перигломерулярных клеток становятся достаточно отдаленные гломерулы – в процессе экстракции схемы активации, отражающей образ запаха, происходят сложные взаимодействия по координации сразу нескольких гломерул. Том Клеланд со своими коллегами из Корнеллского университета предположил, что конечной целью этих взаимодействий может быть нормализация возбудимости гломерулярного слоя, благодаря которой он будет сохранять функциональность вне зависимости от интенсивности обонятельной стимуляции.

Пока что мы едва затронули тему подвидов перигломерулярных клеток и различных межгломерулярных взаимодействий. Сейчас самое время упомянуть, что одной из функций этих латеральных механизмов является начальная стадия экстракции пространственных схем для более эффективной дальнейшей обработки в микросистемах следующего порядка, связанных с одним из наиболее загадочных видов мозговых клеток – гранулярных клеток обонятельной луковицы.

Обонятельная луковица отвечает сразу за два этапа обработки запаха. Первый из них, рассмотренный в главе 9, происходит на уровне гломерулярного слоя – там образуется схема, обозначающая молекулы запаха, и идут процессы оптимизации отношения сигнал/шум и латеральные взаимодействия, являющиеся начальной стадией обработки образа запаха. Затем образ передается на следующий структурный уровень обонятельной луковицы, и начинается второй этап обработки. Уровни связаны между собой крупными митральными клетками и их более компактными клетками-компаньонами – пучковыми клетками (см. рис. 7.1). Дендриты этих клеток, расположенные в гломерулярном слое, вбирают в себя обработанный сигнал и передают его на следующий уровень по апикальному дендриту, а впоследствии отправляют его в обонятельную кору по своему длинному аксону. Прежде чем они смогут передать сигнал за пределы обонятельной луковицы, ему предстоит пройти вторую стадию обработки. Это необходимо потому, что вставочные нейроны гломерулярного слоя имеют ограниченный охват – они могут воздействовать на образ запаха исключительно через те гломерулы, к которым восходит их аксон.

Вторая стадия обработки состоит из минимум двух взаимодействий. Во-первых, необходимо скоординировать все гломерулярные модули. Это происходит благодаря так называемым вторичным дендритам митральных и пучковых клеток; они раскидываются на немалое расстояние, ветвятся и дотягиваются до многих близлежащих гломерулярных модулей. Напрямую между собой этот вид дендритов не взаимодействует; посредничество осуществляется особым видом промежуточных[49] нейронов – гранулярными клетками (см. рис. 7.1). Именно гранулярные клетки обеспечивают второй тип взаимодействий – латеральную ингибицию между скоординированными гломерулярными модулями. На каждую митральную клетку приходится порядка ста гранулярных, что обеспечивает действительно мощную ингибицию. Следовательно, гранулярные клетки являются ключом к скоординированной ингибиторной обработке, ведь именно благодаря им образ запаха преобразовывается в формат, подходящий для передачи в обонятельную кору для следующей стадии обработки. Как же происходит эта смена формата?

В ПОИСКАХ РАЗГАДКИ ТАЙНЫ ГРАНУЛЯРНЫХ КЛЕТОК

Я впервые столкнулся с гранулярными клетками в Оксфорде, когда проходил аспирантуру под руководством Чарльза Филлипса и изучал физиологические реакции клеток обонятельной луковицы. Наиболее значимым из моих открытий в ходе того исследования стало то, что митральные клетки связаны крайне прочными и долгоиграющими процессами латеральной ингибиции; эту закономерность одновременно с нами выявили исследователи в двух других лабораториях.

Вот только была одна проблема – на уровне дендритов митральных клеток обонятельной луковицы не было ингибиторных клеток; там имелись лишь любопытные мелкие гранулярные клетки с колючими на вид, покрытыми шипиками дендритами без аксонов. Клетки, не имеющие аксонов, вообще сложно отнести к категории нервных, и еще сложнее предположить, что именно они могут выполнять функции промежуточных нейронов при митральных клетках. Несмотря на крайне сомнительные характеристики, гранулярные клетки расположились именно там, где мы надеялись обнаружить промежуточные нейроны; мы пришли к выводу, что они, возможно, активируются ответвлениями (коллатералями) аксона митральных клеток и ингибируются центральным, апикальным дендритом, затесавшимся в хитросплетение дендритов базальных.

После защиты кандидатской я приступил к следующему этапу обучения, уже под руководством Вилфрида Рэлла в Национальном институте здравоохранения США (НИЗ) в городе Бетесда, штат Мэриленд. В те годы Рэлл только начинал свою первопроходческую деятельность в сфере нейроинформатики – он создавал первые компьютерные модели нервных клеток и с их помощью выявлял загадочные свойства дендритных ответвлений. Ему пришлось настаивать на своем вопреки давлению оппонентов, полагавших, что дендриты не участвуют в обработке информации и роль их сводится преимущественно к обеспечению клеток питательными веществами. Мы решили, что митральные и гранулярные клетки обонятельной луковицы могут стать прекрасным подспорьем в обосновании важной роли дендритов в информационных процессах, и тогда я выдвинул гипотезу об их участии в процессе преобразования и обработки запахов.