.
Однако по-прежнему не хватало важнейшего звена. Чтобы подтвердить, что активность луковицы представляла собой карту стимулов, ученым нужны были рецепторы – зона контакта с входным сигналом, определявшая взаимодействие стимулов с обонятельной системой. Фаерштейн поясняет: «Очень небольшая часть [нейробиологических исследований] была направлена на изучение запаха. Ученых интересовала схема обонятельной луковицы. Что с чем связано и каким образом? В каком направлении движутся сигналы? На самом деле большой объем работы можно сделать без использования запахов». Для сенсорной физиологии это не такая уж необычная стратегия. «Огромное количество данных о передаче сигналов в сетчатке получено без использования света», – подчеркивает Фаерштейн.
Когда стало ясно, как сигнал структурирован на уровне рецепторов, все ожидали, что это должно находить отражение в разных отделах мозга. С открытием Бак и Акселя ученые получили недостающий фрагмент паззла.
Следующий этап казался очевидным: связать химию стимулов с картиной активации луковицы через конкретные рецепторы. Сообщество ученых, занимавшихся обонянием, начало лихорадочно искать код. Однако кодирование на уровне рецепторов оказалось более серьезной проблемой, чем ожидалось. Представьте, что у вас есть несколько сотен или даже тысяча типов рецепторов. Рецепторы активируются комбинаторно и распределены в эпителии случайным образом. «Как мозг может узнать, какие клетки активируются конкретным запахом?» – подытоживает Аксель.
Ответ был получен в 1996 году. Бывший постдокторант Акселя в Колумбийском университете, а теперь директор лаборатории во Франкфурте Питер Момбертс обнаружил, что обонятельная система обрабатывает случайные сигналы от рецепторов весьма хитрым способом[322]. Казалось, что каждая сенсорная клетка имеет рецептор только одного типа, но, согласно Момбертсу, сомнения в универсальности правила «один рецептор – один нейрон» можно было отбросить[323]. Аксель объясняет: «Выяснилось, что [у мыши] тысяча рецепторов и все клетки с одним и тем же рецептором, вне зависимости от их расположения в носу, отправляют сигнал через череп на первую станцию в мозге, где все они сливаются в определенной точке – в клубочках».
Это просто мечта инженера. Принцип «один рецептор – один нейрон» сокращал уровень сложности на последующих этапах по сравнению с чрезвычайно сложной организацией на уровне рецепторов. Поскольку обонятельная система отличается невероятно запутанным устройством, Грир отмечает: «Если вы пытаетесь представить путь от обонятельного эпителия к обонятельной луковице, это совершенно очевидно самый хаотический путь во всей нервной системе. У вас примерно 1,2 или 1,3 миллиона клеток на каждой стороне носа, и каждая клетка происходит из какой-то определенной точки внутри обонятельного эпителия. Затем ее аксон должен отправиться [в обонятельную луковицу], где он сольется с другими аксонами клеток с рецептором того же запаха».
Если бы аксоны не сливались друг с другом в соответствии с типом рецепторов, невозможно было бы представить, как обонятельная система различала бы входные сигналы.
Внезапно перед учеными открылись новые экспериментальные возможности. Теперь можно было следить за сигналами от рецепторных клеток в эпителии напрямую до того места в луковице, где происходит их слияние.
Аксель вспоминает: «Мы брали зонд для конкретного рецептора и предполагали, что нам удастся проанализировать путь сенсорного нейрона из эпителия в мозг по наличию РНК рецепторов в мозге. Мы считали, что, возможно, какая-то РНК присутствует в клеточных отростках, в аксонах. И поэтому мы сделали то, что называется гибридизацией in situ [использование нити комплементарного генетического материала в качестве зонда для определения локализации специфических тканей] и просто искали РНК рецепторов в мозге. И мы действительно увидели точки. Все рецепторы узнавали разные локусы в луковице. Потом Момбертс показал экспериментальным путем, что эти локусы соответствовали клубочкам. В то время это был сумасшедший эксперимент. Но он сработал!»
Эксперимент Момбертса имел колоссальное значение: для каждого запаха должна существовать своя картина активации. Фиксированный код клубочков соответствует разным запахам. Например, цитраль активирует специфический набор клубочков {G1; G5; G6; G204}, а мускус кетон активирует набор {G5; G6; G30; G50; G400; G420}. Если вы нюхаете эти вещества, а мы в это время проводим функциональную магнитно-резонансную томографию вашего мозга и регистрируем вашу реакцию на два вещества, мы увидим в двух случаях заметно различающиеся картины активации нейронов.
«Так родилась идея, что клубочки представляют собой функциональные единицы, – заключает Фаерштейн. – Имеется в виду, что каждый клубочек занимается определенным набором запахов и упорядочивает свойства запахов, создавая некую пространственную организацию».
Внимание в исследованиях обоняния начало смещаться от поведения рецепторов к обработке сигнала в центральной нервной системе. «Наконец-то! – комментировал Шеферд. – Теперь у нас достаточно работающих лабораторий, так что мы можем сравнивать результаты и конкурировать».
И начались поиски нейронного кода в основе хемотопической карты. Идея хемотопии распространилась повсеместно. Фаерштейн вспоминает: «Это привело к взрывному росту статей об обонятельной луковице и о пространственной картине активации как отражении химических свойств. На основании данного открытия некоторые решили, что это имеет смысл, поскольку теперь можно вообразить некую карту – отражение свойств запаха (то есть рецепторов, с которыми связывается запах) на структуре в центральной нервной системе. Несколько человек, в частности Кенсаку Мори в Японии, буквально ухватились за эту идею»[324].
Лесли Воссхолл отвечает: «Представление об обонятельных клубочках было очень важным. Некоторые из тех, кто проводил ранние исследования на насекомых, отмечали, что в этом был анатомический организационный принцип. К примеру, мотылек. У самцов мотыльков есть гигантское количество периферийных сенсорных клеток, необходимых для того, чтобы учуять самку: весь этот набор клеток в антеннах самцов нужен только для обнаружения самок. Если вы проследите за этими клетками до мозга, вы обнаружите огромное число клубочков, необходимых для обнаружения самки. Ученые наблюдали за обонятельной активностью в луковице, где возникают разные картины возбуждения клубочков в зависимости от интенсивности запаха, его концентрации или примесей».
Специфические картины активации луковицы были обнаружены последовательно для разных одорантов[325]. Это указывало на существование «разных картин для разных запахов», как выразился Шеферд. «Это была невероятно важная серия открытий, сделанных во многих лабораториях, – добавляет Воссхолл. – Важным было то, что на двумерной картине были также закодированы концентрация и каким-то непонятным образом свойства запаха. В некоторых ранних и упрощенных работах говорилось, что с увеличением длины углеродной цепи вы получаете более упорядоченную картину активности во всем наборе клубочков и в обонятельной луковице. Вероятно, это не так. Совершенно точно, что у насекомых нет очевидного организационного принципа, и мне все больше кажется, что [это относится] и к обонятельной луковице позвоночных. Система работает не так. Она гораздо более абстрактна».
Исследования луковицы затормозились. Концепция хемотопии осталась неопределенной. Фаерштейн резюмирует: «Пока мы искали пространственную карту, основанную на химии – типа альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там, – мы не могли найти такую [карту]».
Поиски карты затмили более глубокий вопрос: что насчет объяснения? О функции луковицы можно сказать лишь одно: активность клубочков создает картины. И, как любые картины, по мнению Шеферда, они не содержат внутренней логики: «Распознавание образов – это фактически самостоятельная дисциплина!» Так или иначе, для карты луковицы нужно было создать модифицированную, основанную на рецепторах модель. Однако рецепторы следовали собственной логике.
Стереотипное отражение
Если чувствительные нейроны обонятельной системы действуют как проводники, переносящие сигналы от рецепторов к мозгу, легче понять разнообразие генов рецепторов. А что же приводит эти проводники в движение? Главный инженерный принцип строения луковицы в том, что сенсорные нейроны с одними и теми же генами рецепторов сливаются в клубочках. Возможно, это уникальное свойство обоняния. Грир подчеркивает: «Каждая такая клетка следует совершенно индивидуальным путем в зависимости от своего начала в эпителии. Это не так для всех других сенсорных систем в мозге». Фаерштейн подтверждает: «Я не слышал, чтобы это повторялось где-то еще, в какой-то другой системе, где такого типа рецепторы, сопряженные с G-белком, действительно определяли бы направление продвижения аксонов, по крайней мере, напрямую».
Он объясняет: «То, что рецепторы имеют отношение к тому, как аксоны [чувствительных нейронов] попадают в луковицу – одно из важнейших открытий, поскольку никогда раньше не было показано, что рецепторы, сопряженные с G-белком, связаны с направлением или локализацией аксонов. А теперь мы знаем, что эти рецепторы делают две вещи! Прежде всего, это удивительный класс рецепторов. Это гигантское семейство экспрессируется в эпителии. Кроме того, то, на что реагирует рецептор, в какой-то степени определяет, куда идет аксон нейрона в луковице, что я на сегодняшний день нахожу любопытным». Реальное значение этого открытия еще предстоит установить.
Тем временем идея карты подкреплялась экспериментальными исследованиями. Основная гипотеза гласила, что расположение клубочков в луковице предопределено генетически. Фиксированная генетическая карта организации клубочков считалась ключом к организации архитектуры луковицы, поскольку определяла ее строение. Основы такого предположения достаточно логичны: топографическое представление в других сенсорных системах, таких как зрение и слух, генетически предопределено. Цзоу отмечает: «В зрительной системе картина такова. Стимуляция отображается в топографическом представлении». Постнатальный опыт может дополнительно уточнять эти сенсорные карты. Но их основная организация определяется генетически, что обеспечивает стереотипность. Как говорит Аксель, от организма к организму их топография не меняется.