[312].Но даже на интуитивном уровне непонятно, возможна ли хотя бы одна из этих интерпретаций.
В отличие от обзорной литературы, указывающей на «хемотопический» или «топографический» характер организации луковицы, у специалистов по обонянию нет установившегося мнения. «Я никогда не был в этом [в наличии карты запахов] полностью уверен, – сообщает Фаерштейн, – поскольку, честно говоря, не могу представить, как бы выглядела такая карта. Что вы нанесете на карту связи луковицы и запахов, поместите ли вы альдегиды рядом с кетонами или расположите между ними эфиры? Мы не можем ответить, поскольку пока нет рационального основания».
«Я не думаю, что карта луковицы что-то означает, – отвечает Линда Бак. Она считает, что луковица отображает пространственное расположение рецепторов. – Однако я думаю, что ее связь с восприятием или с чем-то еще весьма неопределенная. Я долгое время считала, что организация луковицы могла возникнуть косвенным путем за счет механизмов развития, которые эволюционировали таким образом, чтобы сводить нейроны с одинаковыми рецепторами к одному синапсу. Это может быть выгодно, чтобы позволять сигналам низкой интенсивности от тысяч нейронов интегрироваться в гораздо меньшее количество нейронов луковицы. Возможно, это важно для чувствительности определения запахов в низкой концентрации, но сама по себе карта ничего не означает».
Бывший постдокторант Фаерштейна Мэтт Роджерс из компании Firmenich играет роль адвоката дьявола: «Я думаю, в луковице реализуется хемотопическая карта. Но, возвращаясь к точке зрения Стюарта, мы возвращаемся и к вопросу, в чем ее назначение. Видите ли, я учился у Стюарта, я выпил почти весь его запас Кул-Эйда[313], – смеется Роджерс. – Я думаю, что мы перестали верить в функциональное содержание хемотопической карты по той причине, что мы еще не видели ее в чистом виде». И проясняет: «Я называю это хемотопической картой, поскольку читал статьи и это осталось в моей голове в качестве способа описания. Но я полностью согласен [с критикой]: я не знаю, карта ли это… Возможно, это не карта. Но если не карта, то что?»
«Я думаю, это вопрос семантики, – включается Чарли Грир. – Нет сомнений, что аксоны от сенсорных нейронов с одним и тем же рецептором запаха сливаются в клубочках и располагаются как минимум по соседству в обонятельной луковице. Я воздержусь от того, чтобы называть это топографической картой, но в этом есть некая специфичность».
Есть несколько причин, чтобы отбросить идею о карте запаха во всех трех интерпретациях. Вопрос о хемотопии уже рассматривался в главе 6, где было показано, что механизмы действия рецепторов не являются отражением химической топологии. Однако принципы связывания сигналов с рецепторами в эпителии отличаются от механизмов, определяющих организацию клубочков в луковице. Может ли быть, что строение луковицы коррелирует с химической топологией молекул запаха? Ответ на этот вопрос тоже отрицательный. Многомерные стимулы и даже часть их свойств нельзя отразить на плоской поверхности луковицы[314]. Это относится как к млекопитающим, так и к насекомым. Результаты исследования насекомых были совершенно однозначны на этот счет[315].Не существует определенного пространственного расположения химических признаков, типа «альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там». В активности клубочков есть химическая специфичность, но это не хемотопия[316].
А что можно сказать о ринотопии (по аналогии с ретинотопией в зрительной системе)? Хотя в луковице выявлены некие неопределенные генетические зоны, ее организация совершенно не сопоставляется с топографией зрительной системы. Особое свойство ретинотопии зрительной системы в том, что соседние клетки имеют похожие рецептивные поля. И это на самом деле ключ ко всей ее репрезентативной организации (см. глава 2). На первый взгляд может показаться, что это справедливо и для луковицы. Кажется, что каждая молекула запаха имеет «отпечаток пальца» – специфическую характеристику активности. Кроме того, клубочки, активируемые конкретными стимулами, по-видимому, собраны в кластеры. Однако если смотреть внимательнее, выясняется, что соседние клубочки схожи в своих реакциях не больше, чем отдаленные, особенно при исследовании разных запахов, а не нескольких похожих классов[317]. В частности Джон Карлсон из Йельского университета показал на мухах, насколько разнообразны локальные ответы гломерулярных кластеров[318]. К тому же активация гломерулярных кластеров похожими запахами не «непрерывная», она происходит с «пробелами»[319].
Не исключено, что правильный ответ – одотопия. Эта версия кажется наиболее обоснованной. Если отдельные молекулы запахов имеют «отпечатки пальцев» в луковице и существует хоть какое-то перекрывание в ответах кластеров клубочков на похожие запахи, тогда пространственная активность луковицы может быть организована не по принципу соседства, но представлять собой грубую, распределенную, но все же дискретную карту характерного образа. Этого мнения придерживается Шеферд, а также Венкатеш Мерти из Гарварда[320]. Такая карта была бы функциональной. Однако данная модель имеет одно критическое условие. Чтобы такую картину считать функциональной картой, она должна быть стереотипной, то есть общей для представителей вида или даже представителей разных видов.
Стереотип функциональности подразумевает, что картина может быть случайной (не имеет значения, какой сигнал где отражается), но должна быть воспроизводимой (определенный сигнал точно или почти точно проявляется в этой точке во всех случаях). Иными словами, функциональность встроена в систему, она представляет инвариантное пространственное отражение вычислительных принципов, включая латеральное ингибирование. Так как же луковица узнает, где разместить клубочки? В конечном счете, стереотипная организация должна быть генетически предопределенной.
Органические системы часто имеют структуры, которые не обязательно связаны с конкретной функцией, но просто отражают ход развития. Может быть, это справедливо и для обонятельной луковицы? Тем или иным образом сигнальная активность клубочков связана с молекулярными особенностями одорантов, и луковица представляет собой нечто вроде рецептивного поля обонятельной системы. Несмотря на это, луковица в первую очередь отражает активацию рецепторов, а не химию стимулов. Томас Хеттингер соглашается: «Это не карта запахов. Это карта рецепторов». Очень важное уточнение, означающее, что строение луковицы определяется генетикой рецепторов. Дальнейший анализ того, как развивались исследования карты луковицы, сосредоточен на ее генетической и эволюционной базе, и он внесет ясность в проблемы причины и следствия, задавшись вопросом: предопределено ли строение луковицы?
Отпечаток каждого запаха
Целенаправленный научный интерес к обонятельной луковице возник тогда, когда в центре развития нейробиологии оказалось топографическое моделирование. Об этом рассказывает Гордон Шеферд, занимающийся изучением луковицы с начала 1970-х годов. Он хотел показать, что обонятельная система не так уж сильно отличается от других сенсорных систем, что она не такая особенная, как считали многие ученые. Шеферд вспоминает: «Наконец мы обнаружили картины, соответствующие запахам! Те самые основные свойства, что были найдены в соматосенсорной системе, в зрительной системе, в моторной системе и так далее. Я думаю, это должно быть справедливо и для обоняния».
Фаерштейн вспоминает время, когда был постдокторантом в лаборатории Шеферда: «Гордон был упорным сторонником идеи, что обонятельная система – часть основного направления исследований в нейробиологии. Что ее механизмы – как бы она ни работала и как бы мы об этом ни узнали – соответствуют тому, что нам уже известно о нейробиологии, и совместимо с существующими моделями. В то время такой взгляд не был общепринятым. Многие подозревали, что обоняние – уникальная, в каком-то смысле странная система, и что ее правила отличаются от правил остальных частей нервной системы, особенно других сенсорных систем, и именно поэтому так трудно ее изучать, отслеживать и экспериментировать с ней. Обоняние отличалось в том или ином смысле. Но Гордон считал иначе. Он чувствовал, что все, что мы узнаем о происходящем на периферии, в центре или в любом другом участке обонятельной системы, будет иметь смысл в общем контексте мозга и нейробиологии в целом».
«Преодолеть это было очень сложно, – добавляет Шеферд. – Специалисты по обонянию, поддерживаемые и побуждаемые специалистами по ароматам, настаивали, что это особая область. Я помню, как один человек из IFF [International Fragrances and Flavors] заявил, что мы никогда не сможем достоверно определить физиологический ответ на какие-либо специфические запахи, поскольку они всегда загрязнены. Будучи химиками-органиками, они очень хорошо представляли себе, насколько сложно получить лишенный запаха воздух, в который потом разные запахи можно включать. Если запах связан с присутствием минимального количества какого-то вещества (что справедливо всегда), как же можно сказать, что вы работаете с веществом A, если это также может быть B, C, D или E? Поэтому очень трудно поверить, что в области обоняния удастся проводить стандартные физиологические исследования, как с другими системами».
Эти проблемы не мешали попыткам Шеферда, и оказалось, что он был прав. Он нашел в луковице несколько совершенно четких и разделенных в пространстве картин активации[321]