[122]. Идея строилась на аналогии с первичными цветами в зрительной системе, где небольшой набор цветов отвечает за свойства и диапазон их смесей. Однако из-за комбинаторного кодирования идея ограниченного числа первичных запахов оказывалась бессмысленной.
Но комбинаторное кодирование было лишь частью проблемы. Другая сложность заключалась в чувствительности обонятельных рецепторов, в частности, в характере их экспрессии в клетках. Иллюстрирует эту проблему одна редко упоминаемая деталь открытия Бак и Акселя. Строго говоря, в 1991 году Бак и Аксель не показали, что найденное ими обширное семейство генов действительно отвечает за экспрессию обонятельных рецепторов. В заголовке статьи «Новое мультигенное семейство может кодировать рецепторы запаха: Молекулярные основы распознавания запахов» Бак и Аксель не скромничали; они намеренно использовали модальный глагол «может». Кажется очевидным, что обнаруженные Бак и Акселем гены должны быть генами обонятельных рецепторов, но им не хватало неопровержимых доказательств. Стандартным методом для идентификации функции генов этого семейства была бы гетерологичная экспрессия: встроить исследуемые гены в необонятельные клетки, такие как клетки дрожжей, чтобы клетки могли синтезировать рецепторные белки, а затем проверить реакцию на различные одоранты, на которые в норме эти клетки не реагируют.
Но такая простая с виду стратегия оказалась чрезвычайно сложной. Гены обонятельных рецепторов с большим трудом удавалось ввести в какие-либо другие клетки, кроме обонятельных нервов. На эту работу ушло полтора десятка лет. Все же в 1998 году Стюарт Фаерштейн и его бывший аспирант Хайцин Чжао нашли хитрый способ обойти это препятствие[123]. Фаерштейн так рассказывает о том, что придумал Чжао: «Однажды он вбежал в мой кабинет и сказал: “Я знаю, какие клетки мы можем использовать для экспрессии обонятельных генов. Обонятельные нейроны!”» Фаерштейн немедленно указал на сложность положения, поскольку «в этом-то и проблема: обонятельные нейроны всегда были единственными клетками, в которых экспрессировались гены этих рецепторов». Поскольку в клетках мышиного эпителия тысячи таких генов, как можно с уверенностью сказать, что продукт какого-то отдельного гена особым образом реагирует на конкретный запах? Иными словами, казалось невозможным узнать, что именно X – а не любой – так реагировал на Y.
Однако Чжао и Фаерштейн превратили проблему в решение. Поскольку гены обонятельных рецепторов экспрессируются только в обонятельных нейронах, исследователи решили использовать именно обонятельные нейроны для усиления экспрессии одного гена рецептора, чтобы определить диапазон связывания. Они заразили эпителий крысы вирусом, несущим один выделенный ген рецептора. Эта инфекция привела к усилению экспрессии одного специфического гена, что увеличило долю этого рецептора в эпителии с 1 % до 30 %. В результате любой лиганд, который возбуждал этот рецептор (теперь его называют крысиным обонятельным рецептором I7), приводил к непропорционально сильному ответу, что позволило определить диапазон связывания[124]. Эксперимент подтвердил идею. Но процедура была слишком трудоемкой и длительной, чтобы применить ее к тысяче с лишним генов и сотням тысяч лигандов. Экспрессия рецепторов до сих пор остается трудным делом. Хироаки Мацунами из Дьюкского университета, который раньше работал с Бак, впервые добился гетерологичной экспрессии рецепторов запаха только в 2011 году[125]. Мацунами интересовался деорфанизацией рецепторов (определением того, с какими молекулами запаха взаимодействует конкретный рецептор). А в 2014 году Джоэль Мейнленд в Центре химических чувств Монелла усовершенствовал метод Мацунами для осуществления первой экспрессии генов человеческих обонятельных рецепторов[126]. Надежда на расшифровку кода запахов ослабела, но не исчезла.
А вскоре стало понятно другое. Кодирование рецепторов носового эпителия отличалось от процессов в сетчатке: для начала там не работал принцип «центр-периферия». Кроме того, было непонятно, как могла бы выглядеть «карта запахов», аналогичная ретинотопической карте. В конечном итоге предположение о существовании «карты запахов» в эпителии так никогда и не подтвердилось. Поначалу в 1993 году Бак и Керри Ресслер обнаружили в эпителии некое подобие зон с разной экспрессией генов[127]. Однако в отличие от участков «центр-периферия» в зрительной системе, наличие таких зон не обеспечивало возникновение дискретных пространственных картин связывания рецепторов.
Быть может, карта формировалась на более поздних этапах? Очевидным кандидатом была обонятельная луковица – следующий пункт обонятельного пути. Кахаль уже выдвигал такое предположение: «Тщательное сравнение структуры, расположения и связей означенных [обонятельных] центров с аналогами в зрительной, тактильной и акустической системах позволяет признать, что обонятельная луковица гомологична сетчатке (не всей сетчатке, но внутреннему плексиформному слою, ганглионарному слою и [слою волокон зрительного нерва]), вентральному и латеральному [кохлеарным ядрам] продолговатого мозга и [ядрам дорсальных колонок]»[128].
Чтобы понять, что имел в виду Кахаль, давайте еще раз заглянем в глаз. В отличие от обонятельной информации, зрительная информация проходит через многочисленные синаптические связи и многие слои нейронов разных типов, пока не достигнет коры мозга. Только в сетчатке мы видим три слоя чувствительных нейронов, причем каждый выполняет особую функцию. В частности, в сетчатке есть два типа рецепторных клеток и четыре типа нейронов: биполярные, ганглионарные, горизонтальные и амакриновые клетки. В первом слое в глубине сетчатки мы различаем два типа рецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки имеют вытянутое строение, содержат пигмент одного вида и реагируют на переменное освещение (в том числе с низкой интенсивностью). Они отвечают за ночное видение. Колбочки значительно толще и обычно содержат пигменты одного из трех видов, которые резонируют со светом высокой интенсивности и облегчают цветовое зрение.
За этим первым слоем специализированных рецепторных клеток идет второй слой биполярных и горизонтальных клеток. Информация от нескольких рецепторных клеток собирается горизонтальными клетками и передается вытянутым биполярным клеткам, которые также могут принимать входной сигнал напрямую от клеток сетчатки.
В третьем слое сферические ганглионарные клетки сетчатки продолжают собирать информацию от биполярных клеток, а затем отсылать ее из сетчатки по зрительному нерву. Слой амакриновых клеток, аналогичных горизонтальным клеткам, частично служит посредником при передаче информации между биполярными и ганглионарными клетками. Задача такой многоэтапной обработки информации – в улучшении разрешения рецептивных полей, причем при передаче сигнала сохраняется структура «центр – периферия». Прогулка по такому многовидовому лесу взаимосвязанных клеток позволяет дополнительно оценить простоту обонятельной системы, содержащей всего два синапса.
Анатомия обонятельной луковицы поразительно схожа с анатомией зрительной системы. Луковица, как и сетчатка, выполняет свою функцию с помощью клеток разных типов, распределенных по нескольким слоям. В целом ее структура имеет следующий вид. Выходящие из эпителия обонятельные нервы сливаются между собой в так называемом гломерулярном слое (слое клубочков), состоящем из сферических нейронных структур, образующих первый (внешний) слой луковицы. Клубочки иннервированы клетками двух типов: митральными (получившими название за сходство с митрой – головным убором епископа) и более мелкими пучковыми. (Термин «иннервация» означает, что отростки этих клеток далее проводят сигнал в обонятельную кору, создавая первый синаптический контакт обонятельного пути.) Как и в рецепторах сетчатки, эти клубочки связаны между собой в горизонтальном направлении и обеспечивают латеральное торможение соседних клеток (то есть клетки могут ослаблять возбуждение соседних клеток). Если так смотреть, то строение обонятельной луковицы напоминает строение сетчатки как в анатомическом, так и в функциональном плане. Поначалу казалось, что эта гипотеза доказуема: Роберт Вассар и Аксель сообщили, что обнаружили в луковице пространственно дискретных и топологических картин активации стимула[129].
Существование карты луковицы не вызвало удивления по крайней мере у одного человека. Гордон Шеферд защищал идею топографической организации обонятельной луковицы еще до открытия рецепторов. «Я убедился, когда стало понятно, что в обонятельной луковице существует латеральное торможение и что мы имеем такие же электрофизиологические свойства, какие в моторных нейронах. Наконец мы нашли картины, создаваемые запахами, – важнейшее свойство, обнаруженное в соматосенсорной системе, зрительной системе, двигательной системе и т. д. Я думаю, это должно быть справедливо и для запахов». Шеферд считал, что «по сравнению со зрительными путями, которые начинаются в сетчатке и проходят через таламус до зрительной коры, обонятельные эквиваленты всех этих структур как бы сконцентрированы в обонятельной луковице»[130].
Однако в то время молекулярные биологи и физиологи не участвовали в общих дискуссиях и не читали одни и те же статьи. Поэтому, хотя открытие генов рецепторов Бак и Акселем привлекло к себе всеобщее внимание, при появлении первых теорий и проведении Шефердом первых экспериментов по изучению обонятельной системы в целом или луковицы в частности такого немедленно не произошло. В главе 1 мы говорили, что до 1990-х годов не существовало единого сообщества ученых, занимавшихся вопросами обоняния; скорее, это была междисциплинарная группа самых разных специалистов. Даже сегодня в исследованиях запаха продолжает наблюдаться некоторая разобщенность дисциплин.