Кодирование запаха не укладывается в предсказательную модель «стимул – реакция» типа «любой одорант с углеродной цепью С8 при добавлении еще одного углерода приобретает запах черешни». Это совсем не так. Важнейшее различие между стимулами с низкой размерностью в зрительной или слуховой системе и многомерными стимулами обонятельной системы в том, что в последнем случае аддитивная шкала[278] не отражает механизм кодирования.
Грир сравнивает кодирование на уровне рецепторов в системах обоняния и слуха: «Полагаю, вы согласитесь, что, поскольку базилярная мембрана обеспечивает непрерывность ответа на все звуки от высокой до низкой частоты, здесь тоже существует возможность для комбинаторного кода. Когда вы берете музыкальный аккорд, вы стимулируете разные части мембраны, что приводит к восприятию музыки». Но в кодировании обонятельного стимула нет переходов в диапазоне какого-то одного ключевого признака. «Есть непрерывный ряд звуков, которые вы можете нанести на карту, – добавляет Фаерштейн. – В обонянии такого непрерывного ряда нет. Нет непрерывного перехода между альдегидами и кетонами. Или какими-то другими химическими группами или классами молекул».
Любая модель, цель которой – создание карты, связывающей перцептивное обонятельное пространство с пространством стимулов, должна учитывать, что кодирование запаха не линейное или кумулятивное. Рецепторы запахов взаимодействуют с несколькими тысячами разных параметров молекул, не имеющих какой-либо непрерывной связи или шкалы. Следовательно, не существует универсального способа разделить физическое пространство одорантов «в местах сочленения», как длина волн видимого света или слышимые частоты. Обонятельные рецепторы «осмысляют» примерно пять тысяч параметров частиц, включая стереохимическую конфигурацию, молекулярную массу, гидрофобность, функциональные группы, полярность, кислотность и так далее. Вот что подразумевается под многомерностью пространства стимулов.
Обонятельные рецепторы определяют спектр химических свойств, которые транслируются в виде сигнала. Однако они не расщепляют стимулы на однородные регулярные фрагменты, как это делают колбочки глаза. Вы не найдете групп рецепторов для каких-то специфических химических свойств, скажем, одну группу для углеродной цепи и другую – для полярных поверхностей. Рецепторы выбирают разные свойства. Более того, они различаются по диапазону выбираемых свойств (и сочетаний свойств). Скажем, у вас есть рецептор, реагирующий на молекулы с кольцевой структурой с полярной поверхностью, но только определенного размера, а не на любые кольцевые структуры с полярной поверхностью. А теперь перемножьте эти сочетания сотни или даже тысячи раз! Химические признаки определяют пространство стимула. Но они не соотносятся равномерно со всеми рецепторами. Такое мозаичное кодирование объясняет, почему некоторые данные могут соответствовать моделям, связывающим структуру молекул с их запахом. Но не подтверждает возможность предсказания таких закономерностей.
Если диапазон восприимчивости колбочек к длине волны определяет цвет, почему поведение обонятельных рецепторов не определяет запах? Нейробиологи соглашаются, что формирование обонятельного образа строится на картинах активации рецепторов[279]. Однако остается неясным, действительно ли эти картины соответствуют традиционным принципам химии запахов. Может ли изучение поведения рецепторов опровергнуть предпосылки к модели «стимул – реакция»?
Да, может. В двух исследованиях, проведенных в лаборатории Фаерштейна в 2016 и 2018 годах, были сделаны попытки ответить на один простой вопрос: так ли рецепторы классифицируют стимулы, как это делают химики?[280] Химики классифицируют молекулы запаха в соответствии с важными химическими группами и функциями. А группа Фаерштейна регистрировала ответы рецепторов (этот подход в фармацевтике называют медицинской химией). Идея эксперимента проста, но никто раньше до нее не дошел. «Это придумала Зита, – комментирует Фаерштейн, имея в виду своего бывшего постдокторанта Зиту Петерлин. – Я думаю, она видит эти химические структуры, как никто другой. Почти как в фильме «Игры разума». В этих молекулах она видит такие закономерности, которых не видит никто».
Эрван Пуаве, продолживший работу Петерлин после ее ухода в компанию Firmenich, объясняет идею: «Органическая химия оперирует такого рода данными: какая функциональная группа у этой молекулы? Каков ее размер? Какова ее длина? Сколько двойных связей, полярная она или неполярная? Все это разные параметры. И именно по ним химики классифицируют молекулы. Но может быть, это совсем не подходит для биологических систем, таких как система обоняния. Может быть, рецепторам все равно, кислота это или эфир. Допустим, у вас есть альдегид и спирт. С точки зрения химии это разные вещи. Но для обоняния важно, что в обеих молекулах есть кислород с двойной связью. Может быть, рецептор настроен именно на это. Может быть, ему все равно, водород там находится или еще один углерод».
Исследователи из группы Фаерштейна вводили в мышиный эпителий разные молекулы и регистрировали и анализировали ответ рецепторов, чтобы проверить, соответствуют ли предпочтения рецепторов по отношению к стимулам представлениям органической химии. Оказалось, что нет. Обонятельные рецепторы не реагировали на химические особенности стимулов так, как реагировал бы квалифицированный химик. Это означает, что рецепторы действуют по своим правилам. Без знания деталей биологии рецепторов использование больших массивов данных для поиска связи между структурой молекул и их запахом оказалось бессмысленным.
На рис. 6.1 показано, насколько по-разному химики и рецепторы классифицируют химические свойства одорантов. В верхней части рисунка представлены одоранты, среди которых в соответствии с принципами органической химии самыми похожими являются молекулы 3 и 5, за ними следуют молекулы 6, 2, 1, и наконец, 4. В нижней части рисунка показано, что для рецепторов самые похожие – молекулы 5 и 6. При этом молекулы 1 и 2 тоже формируют группу по сходству, отдельно от молекул 5 и 6, а молекулы 3 и 4 ближе к группе молекул 5 и 6, чем к группе молекул 1 и 2. «Мы решили изучить молекулы, которые довольно сильно различаются по химическому строению, – объясняет Пуаве. – Мы взяли циклические молекулы с бензольными или гетероароматическими кольцами, чтобы посмотреть, есть ли между ними нечто общее. И то, как они классифицируются химиками, очень сильно отличается от того, как мы классифицируем их после взаимодействия с нейронами».
На самом деле эксперимент был сложнее, чем описано выше. Пуаве смеется: «У нас в чашках Петри были чувствительные обонятельные нейроны. Мы вводили в ткань одоранты, один за одним. Каждый раз, когда какой-то нейрон реагировал, мы могли видеть это с помощью кальциевого сенсора GCaMP [флуоресцентного белка с очень высокой чувствительностью к активности кальция в клетках]. Мы обнаружили клетки, которые реагировали только на одну молекулу, на две молекулы и на все молекулы. Недурственный набор! Мы проверили несколько свойств. Хотя все вещества были кетонами [речь идет об исследовании 2016 года, в 2018 году это были эфиры], они различались числом атомов углерода в кольце, полярностью и, что более интересно, площадью полярной поверхности кольца». (Площадь полярной поверхности – это сумма поверхностей полярных атомов, таких как азот, кислород и водород.)
РИС. 6.1. Иерархический группирующий анализ эфиров. Сходство молекул запаха. Левое дерево отражает сходство между кетонами, установленное методами аналитической химии. Правое дерево показывает сходство, выявленное обонятельными рецепторами. Эти две схемы химического сходства значительно различаются (объяснение в тексте). Источник: приводится с модификациями из статьи Poivet et al., Functional Odor Classification through a Medical Chemistry Approach, Science Advances 4, no. 2 (2018), fig. 3 CC BY-NC.
Выясняется, что обонятельные рецепторы не обращают внимания на законы аналитической химии. «В первую очередь классификация [кетонов] для их разделения в рамках органической химии, – комментирует Пуаве, – была бы основана на размере кольца, а во вторую – на его составе. Есть ли там атом азота, кислорода, серы? И в результате у нас были бы подсемейства в большом семействе пяти– или шестичленных углеродных циклов». Но у рецепторов другие предпочтения. «Классификация в обонянии очень сильно отличается. Размер вообще не играет роли. И состав кольца не играет роли. По-настоящему важным параметром оказывается площадь полярной поверхности. То, где в трехмерной структуре вашего кольца имеется электрический заряд, решает, примет ли нейрон одорант в качестве лиганда или нет».
Если не вдаваться в технические подробности, исследование Пуаве и Фаерштейна выявило две важные вещи. Во-первых, выяснилось, что приоритет и иерархия свойств, по которым химики и рецепторы определяют химическое сходство, различаются. Некоторые свойства, которые выделяет классическая химия, оказались малозначимыми для рецепторов. Химики и рецепторы по-разному решают вопрос об определении структурного сходства молекул запаха. Во-вторых, рецепторы отвечают на такие химические свойства, которые не были предсказаны и даже не рассматривались в предыдущих исследованиях с привлечением больших массивов данных.
Пуаве подтверждает: «То, что мы увидели, должно наблюдаться в том случае, когда у вас есть обонятельный рецептор, который принимает молекулы с самой маленькой площадью полярной поверхности, молекулы с самой большой площадью полярной поверхности, а также со всеми промежуточными размерами площади, во всяком случае, в отношении этих циклических молекул. Размер неважен, в частности, размер кольца. Это достаточно интересно, поскольку только на основании органической химии вы не могли такое предсказать!»
Выходит, биологическое осмысление химического сходства отличается от химических идеалов. И это меняет подход к созданию теории восприятия запахов. Как в криптографии: для расшифровки кода нужен правильный ключ, все остальное – бессмысленный набор звуков, даже если из них складывается несколько осмысленных предложений. Чтобы понять, что отражает сигнал нейронов, нужно знать, какие свойства стимула кодирует сигнал. Вот вам аналогия. Когда физик дает определение гравитации, важно знать, трактует он это понятие согласно теории Ньютона или теории Эйнштейна. Однако для Ньютона гравитация представляла собой силу в рамках абсолютного времени и пространства (как раздельных понятий), а Эйнштейн определил гравитацию как искривление пространственно-временного континуума. Теперь, когда мы создаем модель химического сходства в обонянии, следует вспомнить об этом как об аналогичном сдвиге парадигмы.