Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Ольфакторные рецепторы насекомых все еще принадлежат к семейству 7-TM. Однако они радикально отличаются от таковых у млекопитающих – и не только аминокислотными последовательностями. Первое, что удивило в них ученых, было расположение в клеточной мембране: они сидят в ней вверх тормашками, то есть С-концом наружу и N-концом внутрь. Важное следствие такой топологии состоит в том, что область рецептора, предположительно взаимодействующая с G-белком (основываясь на знаниях, полученных на материале позвоночных), находится снаружи клетки. Хотя, с другой стороны, у нас нет никаких данных, подтверждающих участие G-белков в преобразовании химического сигнала у насекомых.

А как же специфическое взаимодействие с одорантами, ионные каналы и электрические импульсы? Ученые предположили, что те же самые рецепторы и выступают в роли ионных каналов. На самом деле они ассоциируются с одним конкретным членом этого семейства, на редкость хорошо сохранившимся у всех отрядов насекомых и именуемым «ОРКО» (ольфакторный рецептор корецептор). Присутствие ОРКО добавляет чувствительности и специфичности всем прочим ольфакторным рецепторам. Вероятнее всего, взаимодействие между двумя белками должно происходить на мембране.

Еще одним сюрпризом стало малое, в сравнении с позвоночными, количество этих рецепторов у насекомых. У дрозофилы их всего около шестидесяти – столько же у нее и вкусовых рецепторов. Если помните, различие между обонянием и вкусом у насекомых основывается не на анатомии. Ольфакторные сенсиллы у них расположены не только на антеннах, но и на ротовых органах, на ногах, а у некоторых видов даже и на крыльях. Точно так же и вкусовые сенсиллы были найдены на самых разных частях тела. Корректнее будет говорить о хеморецепции, включающей оба аспекта – и регистрацию летучих молекул, и контактное химическое детектирование, работающее с нелетучими соединениями, такими как сахара, соли, растительные алкалоиды и длинноцепочные углеводороды, часто присутствующие на кутикуле у насекомых. Количество обонятельных и вкусовых рецепторов у разных насекомых варьируется, но порядок остается тем же. Исключения крайне немногочисленны. Более широкий репертуар до сих пор удалось найти только у птеромалиды Nasonia vitripennis с ее тремястами генами, кодирующими ольфакторные рецепторы, и пятьюдесятью восемью, кодирующими вкусовые (среди тех и других 20–25 % составляют псевдогены).

Запутанный клубок электрических проводов

Мы с вами пронаблюдали, как ольфакторное сообщение, закодированное в структурных параметрах молекул пахучего вещества, расшифровывается и переводится в электрические импульсы. Всем этим занимается сложная машинерия ольфакторных нейронов. Они представляют собой физический интерфейс между внешней средой и мозгом, или, если угодно, окошко из мозга в мир запахов. С тем же успехом их можно представить себе как команду высокопрофессиональных синхронных переводчиков, транслирующих химический текст в электрические сигналы, с помощью которых нейроны сообщаются друг с другом.

Теперь давайте последуем за этими сигналами по внутренней электропроводке от периферийных устройств к самому мозгу. Связи эти запутанны и многообразны; они постоянно перенастраиваются, чтобы включить новую, приходящую извне информацию, и поддерживают корреляции с данными, уже хранящимися в памяти. Об обработке и взаимодействиях ольфакторного сигнала с другими сигналами по пути к высшим областям мозга мы знаем очень мало – пока он вдруг не становится осознанным опытом. Чтобы понять, как все это происходит, нам нужна помощь других дисциплин, и не только биохимии, молекулярной биологии, нейробиологии и электрофизиологии, но также и психологии – чтобы соотнести физиологические данные с эмоциями и поведением, – и информатики с математикой – чтобы постичь логику, стоящую за хитросплетением нейронных связей, и язык, которым пользуется мозг, чтобы эффективно обрабатывать получаемые от носа данные.

Изучая ольфакцию на разных уровнях и понимая, какими стратегиями пользуется нервная система для обработки обонятельной информации, мы когда-нибудь сможем собрать искусственный аппарат, способный делать химический анализ окружающей среды в реальном времени – совсем как наш нос.

От носа к мозгу: первые шаги

Итак, давайте проследим, каким путем движется электрический сигнал от первичных ольфакторных нейронов к соответствующим областям мозга. Длинные хвостики ольфакторных нейронов, аксоны, проходят через этмоид (решетчатую кость), расположенную в верхней части носа, и оказываются в мозгу. Их цель – две ольфакторные луковицы, одна из которых находится слева, а другая справа. Они похожи на виноградные гроздья – маленькие бусинки-гломерулы, собранные в компактные структуры.

Любопытно, что все нейроны, экспрессирующие один и тот же ольфакторный рецептор и, следовательно, реагирующие на одни и те же запахи, сходятся к одним и тем же гломерулам. Представьте себе больше 1000 тонких проводков, идущих от сравнительно обширной области обонятельной слизистой, которые все сходятся в одну крошечную точку на обонятельной луковице. Теперь повторите эту проводную схему для нескольких сотен типов нейронов. Вы получили запутанный клубок проволоки, выглядящий как один большой сплошной хаос, в котором отдельные аксоны каждого нейрона отлично находят себе дорогу к правильным гломерулам, совершенно не нуждаясь ни в светофорах, ни в дорожных знаках.

Вы удивитесь еще больше, когда вспомните, что ольфакторные нейроны постоянно обновляются. Старые нейроны отправляются в утиль; стволовые клетки ольфакторного эпителия бесперебойно поставляют новые. Этим новорожденным нейронам полагается вырастить собственные аксоны и отправить их правильным путем формировать правильные связи. Ученые считают, что аксоны ведут к гломерулам все те же ольфакторные белки-рецепторы. Эти белки действительно присутствуют в аксонах, где, понятное дело, ни при каких обстоятельствах не могут войти в контакт со стимулами из окружающей среды.

Однако эта утонченная и эффективная система, разумеется, может дать сбой. В бытность мою в Калифорнии коллега рассказал мне один случай – это единственный известный мне кейс подобного рода.

В результате автокатастрофы у женщины сместился этмоид. Все аксоны ее ольфакторных нейронов, само собой, были оборваны, и в результате она полностью потеряла обоняние. Через несколько недель женщина начала выздоравливать, и обоняние к ней постепенно вернулось. Но лучше бы оно этого не делало: все запахи у нее теперь перепутались. Вообразите: смотреть на прекрасный стейк и обонять навоз или пить апельсиновый сок, который воняет тухлой рыбой. Впрочем, в конце концов леди поправилась полностью и заново обрела способность нормально интерпретировать запахи. До сих пор непонятно, сумели ли ее ольфакторные нейроны восстановить правильные связи или это мозг перепрограммировал сигналы согласно хранящейся в памяти информации.

Очень эффективное умножение

Одна из задач всей этой сложной машинерии – добиться значительного усиления периферийного сигнала, по меньшей мере в 1000 раз, путем огромного числа «входов» от индивидуальных нейронов. При этом сигналы становятся гораздо чище, так что распознавать удается даже самые слабые из них.