[352]. Остается неясным, не связано ли это с генетическими факторами, например, с разным диапазоном настройки рецепторов. Аксель объясняет последствия такой перекрестной связи: «Эксперименты в нашей и в других лабораториях показали, что конкретный нейрон в первичной сенсорной коре получает сигналы от нескольких клубочков. Но эти сигналы неупорядоченные. Конкретный нейрон в сенсорной коре получает сигналы от случайного набора клубочков».
РИС. 8.2. «Зашифровывание сигнала» между главной обонятельной луковицей (MOB) и грушевидной корой (PCx), иллюстрирующее конвергенцию и дивергенцию сигналов. Источник: M. I. Vicente and Z. F. Mainen, Convergences in the Piriform Cortex, Neuron 70, no. 1 (2011): 1–2, fig. 1 © 2011 Elsevier Inc.
«Если это так, – подчеркивает Аксель, – то конкретный запах должен активировать разные картины у разных людей, а значит, эти картины не имеют [собственной] ценности; возможно, для организма они не имеют смысла. И нужно, чтобы связи в высших отделах мозга придали смысл этим картинам. Мы проделали много экспериментов, которые, судя по всему, подтверждают, что это удивительное наблюдение действительно справедливо».
Активность на входе в грушевидную кору распределенная и рассеянная; она зависит от конкретного индивидуума и от временных факторов. Воссхолл комментирует: «Мне нравится идея, что грушевидная кора представляет собой такую читающую, пишущую и исправляющую логическую машину, которая отображает информацию, не имеющую фиксированной локализации или идентичности. Я не знаю, как это прочесть, и я не думаю, что кто-нибудь знает. Но мне это кажется важным… Самое ужасное, что у нас есть четыреста клубочков и есть некая геометрическая структура, в которой четыреста клубочков укладываются на карту грушевидной коры, формируя спираль или куб, но это не решает проблему восприятия. У нас нет достаточной информации о коде, чтобы оперировать картинками».
Такая случайность функциональна. Информация разбивается на множество фрагментов, которые сравниваются и группируются в результате различных превращений. Именно так обонятельная система способствует удивительной гибкости поведения в ответ на стимулы с разным смыслом в разных природных сочетаниях. Для осмысления происходящего «Энигма» использует два механизма: нисходящие сигналы, определяющие ожидание, и временное кодирование, структурирующее отношения входных данных.
Карта исходящих сигналов
Может быть, пришло время для обратного проектирования. Цзоу Донцзин предложил анализировать в этом контексте картины исходящих, а не поступающих сигналов. «Меня интересует выход из грушевидной коры. Вероятно, он не так дезорганизован, как мы думали. Здесь может быть некая организация, например, какой-то новый тип конвергенции».
В 2014 году Стюарт Фаерштейн и Фред Чен изучали грушевидную кору, повернув проблему обратной стороной[353]. Вместо того, чтобы задаваться вопросом, что сообщает сигнал (то есть исследовать его эфферентные связи), они смотрели, откуда он идет (афферентные связи). В частности, они следили за проекциями из двух доменов орбитофронтальной коры высшего порядка (агранулярного островка и латеральной орбитофронтальной коры) обратно в грушевидную кору. Им повезло. Исследователи из лаборатории Фаерштейна обнаружили две различимые популяции нейронов с почти неперекрывающейся топографической организацией. Это указывает на наличие нисходящей организации: сигналы в грушевидной коре регулируются за счет системы обратной связи с высшими отделами коры головного мозга.
Цзоу объясняет: «Это вставочные клетки, но их отростки идут в разные отделы. Мы начинаем предполагать, что существует некий уровень переорганизации для сигналов, выходящих из грушевидной коры». Однако это предварительные результаты. «Проблема в том, что грушевидная кора огромна. Есть много других участков, в которые она направляет сигналы. Пока это не изучено досконально».
Тем или иным образом нисходящие эффекты определяют интеграцию обонятельных сигналов; сигналы в грушевидной коре структурируются на выходе. Эти идеи подтвердились в 2017 году в лаборатории Александра Флейшмана при анализе нейронных подсетей и временных картин активации в грушевидной коре[354]. Это тоже еще не окончательные данные, но они уже направляют нас к новой модели.
Ключ в межнейронных связях. Плотная ассоциативная сеть в грушевидной коре способствует широкому распределению и мгновенной интеграции обонятельных сигналов в соседние процессы. Значение обонятельного сигнала в меньшей степени зависит от его организации на входе и больше от его участия в параллельных процессах. Мы видим, что представление сигнала на уровне нейронов в сердце обонятельной коры, где в каждый момент времени происходят бесчисленные комбинации, соединения и перекрестные активации, на самом деле является процессом. Грушевидная кора обеспечивает гибкость сигнальной активности, информируемой активностью нисходящих связей. Главная задача мозга в отсутствие четкого пространственного порядка – в расчете наличия, силы, конкуренции и последовательности сигналов. Нисходящие процессы определяют интеграцию сигналов и связывают категоризацию запахов с опытом, ожиданием и эффектами в перекрестных модальностях.
Это половина истории того, как мозг производит измерения окружающего пространства путем отбора информации и определения приоритетов. Вторая половина относится к регуляции входных сигналов. Порядок появления – временная последовательность нейронных картин – определяет конкуренцию входных сигналов и их интеграцию с другими сигналами для оценки с точки зрения особенностей, известности или новизны. Временное кодирование обонятельных сигналов осуществляется с помощью двух механизмов – очередности кодирования на уровне рецепторов и популяционного кодирования на уровне нейронов.
Очередность кодирования
Очередность кодирования на уровне рецепторов подразумевает, что идентичность запаха зависит от избирательной активации рецепторов. Лишь небольшой набор рецепторов – не все сразу – первоначально отвечает на стимул в определенной концентрации и определяет, какой сигнал от эпителия получает мозг. Объяснение запахов с учетом временных параметров кодирования началось с исследований эффектов латентности (тоже в обонянии) Джоном Хопфилдом в середине 1990-х годов[355]. Латентностью называют временной интервал между действием стимула и ответом. Нейробиолог Дима Ринберг из Нью-Йоркского университета, физик по образованию, развил эту идею в компьютерной модели рецепторов[356]. «Идея об очередности кодирования появилась в нашей лаборатории пару лет назад, – рассказывает он. – На самом деле она очень простая – рецепторы можно упорядочить по чувствительности: более чувствительные, менее чувствительные и очень слабые. Вообще говоря, именно это видит мозг».
Картина активации рецепторов изменяется с повышением концентрации стимула. Ринберг описал гипотетический рецепторный код для нескольких концентраций одного запаха. Например, запах в низкой концентрации возбуждает небольшую группу рецепторов {R1; R2}. При средней концентрации запаха возбуждаются и другие рецепторы, и группа расширяется до {R1; R2; R3; R4}. При высокой концентрации запаха возбуждается еще больше рецепторов, и образуется группа {R1; R2; R3; R4; R5; R6}.
Как объясняет Ринберг, распознавание смесей естественным образом вписывается в эту модель. Активность некоторых рецепторов подавляется, когда на эпителий действует несколько запахов, так что для смесей первичный набор изменяется. Например, если вы действуете на эпителий смесью A+B и обнаруживаете первичный набор активирующихся рецепторов {R1; R3; R4; R5; R6}, он будет не таким, как первичные наборы активирующихся рецепторов в случае воздействия запахов A {R1; R3; R5; R7} и B {R2; R4; R6} по отдельности.
В таком случае различие между обонятельными сигналами отражается первичным набором возбуждающихся рецепторов. Эти наборы разные для мономолекулярных запахов и смесей, а также запахов в разной концентрации. Конфигурационные эффекты в восприятии смесей, такие как «образ картофельных чипсов» в экспериментах Экри, находят материальное объяснение: специфические соотношения активируют специфические первичные наборы рецепторов. Отдельные молекулы запаха (метилмеркаптан, метиональ, 2-этил-3,5-диметилпиразин) имеют иной код первичной активации, нежели их смесь. Кроме того, первичные коды различаются для таких смесей при разном соотношении компонентов. Роджерс считает эту идею правдоподобной, исходя из теоретических системных соображений. «Вопрос о временной очередности, на который обратил внимание Дима, представляется интересным. Предполагается, что в наибольшей степени результат восприятия определяется самыми чувствительными рецепторами для конкретных молекул».
При этом возникают новые вопросы о кодировании запахов. Роджерс замечает: «Если существует очередность, когда есть, допустим, около двадцати рецепторов и один из них – «самый главный», что система делает с остальными девятнадцатью? Зачем они нужны? Чем они занимаются?» Роджерс возвращает нас к эффектам подавления активности, описанным Фаерштейном (см. глава 6). «Есть некое противоречие, изменяющее код. Удивительны масштабы происходящего. Я предполагаю, что система обладает некоторой избыточностью. Так что если главный рецептор не активируется по какой-то причине, например, из-за наличия в смеси антагониста, вы все равно в некоторой степени можете ощущать запах. Особенно если этот запах важен с точки зрения поведения». И развивает идею: «Несколько путей рецепторной активности [могут приводить] к одинаковому восприятию. Вот что я называю избыточностью. Активность рецепторов в отношении кодирования смесей – это серьезный вопрос».