В ответ Ринберг поясняет, что он предлагает лишь компьютерную модель. Она не определяется биологическими свойствами компонентов: «Красота модели первичного кодирования в том, что она не зависит от всех этих факторов». Это мнение признается не всеми. Кей считает, что поведение рецепторов, включая очередность кодирования, зависит от биологических условий, в которых находится организм. Она добавляет, что двигательное поведение влияет на скорость вдыхания запахов и следовательно, на временное кодирование. Как объясняет Кей, ограниченность данных Ринберга, полученных в экспериментах на грызунах с зафиксированной в одном положении головой, связана с тем, что у них «отсутствуют вестибулярные эффекты, которые возникают при вдыхании запахов». Вестибулярные эффекты связаны с контролем движений и равновесия. Она говорит: «По-видимому, крысы с зафиксированной головой нюхают медленнее. Если животные нюхают медленнее, это означает, что воздействие стимула пролонгируется и его легче воспринять, но я готова поспорить, что животным труднее делать что-то другое. Так что, возможно, они не различают химические вещества». Изменение скорости вдыхания запахов отражает компромисс между более точной и подробной идентификацией и быстрым двигательным ответом.
Ринберг отвечает, что в других исследованиях было показано, что распознавание запаха не зависит от того, с какой скоростью нюхать[357]. Это дополняет его же статью 2018 года «Независимое от дыхания кодирование запаха»[358]. И все же эта стабильность может зависеть от других факторов, включая запоминание стимулов через распознавание картин активации. Границы между распознаванием запахов и памятью – предмет постоянных дискуссий. «Трудно отделить обонятельное восприятие от заученных воспоминаний, – отмечает Цзоу. – Чаще всего, если вы применяете запах всего один раз, животное его сразу запоминает. Сколько запахов подряд клетки в состоянии запомнить?»
Вопрос о зависимости – или независимости – очередности кодирования от биологических факторов и тем более о степени этой зависимости требует дальнейших исследований. Каким бы ни был результат, идея очередности кодирования создает новые основания для построения теории кодирования запахов.
Ее принципы объясняют быстрые взаимодействия сенсорной системы с окружающим миром. Более длительное, повторяющееся или интенсивное вдыхание запаха в отличие от краткого вдыхания изменяет выборку достигающих носа химических сигналов еще до их оценки. Оценка зависит от временного кодирования на уровне популяций нейронов.
Популяционное кодирование
Мозг анализирует всплески активности нейронов – нервные импульсы. Эта активность имеет разную скорость и последовательность на фоне временных картин популяций нейронов. Пики показывают, когда, в каком сочетании и порядке и при какой амплитуде стимул превращается в нейронный сигнал. Сигнальные события никогда не происходят изолированно, они всегда формируют последовательности. Каждый последующий сигнал определяется предшествовавшими и параллельными сигналами. Аналогично тому, как вы чувствуете, что килограмм весит меньше после того как вы несли пять килограмм, и больше после того как вы несли сто грамм, так и параметры нейронного сигнала, включая его силу, соотносятся с другими сигналами. Опыт тяжести груза – это мера состояния вашего тела в данном контексте, как и ответ нейронов на стимулы. Такая же аналогия справедлива для запахов.
Как анализировать временной код через нервные импульсы? Роджерс смеется: «Здесь в игру опять включается электрофизиология!» Электрофизиологические методы регистрируют потенциалы действия. При возбуждении через клеточную мембрану нейрона проходит сложный каскад ионов, из-за чего изменяется напряжение и электрический заряд нервной клетки.
Механизмы временного кодирования в популяциях обонятельных нейронов млекопитающих изучены недостаточно. С насекомыми дело обстоит лучше. Причина, почему временные модели для обоняния насекомых пока не нашли отражения в работах с млекопитающими, в том, что насекомыми и грызунами занимаются ученые из разных научных сообществ. Наиболее заметные исследования насекомых были проведены в лаборатории Жиля Лорана, а также Джона Хильдебранда, Юргена Бокса, Джона Карлсона, Марка Стопфера и других[359]. Однако обонятельные системы у насекомых и млекопитающих, несмотря на значительные различия, удивительно похожи по механизмам и принципам[360]. Что же мы можем узнать от мух?
Временное кодирование в обонятельной системе насекомых регулируется с помощью ингибирования[361]. Стопфер смеется: «Я думаю, ингибирование – это все!» В случае насекомых «некоторые доказательства временных структур есть уже на уровне рецепторных обонятельных клеток, которые у насекомых обеспечивают входной сигнал для проекционных нейронов в антенной доле. Эти проекционные нейроны демонстрируют гораздо более сложные картины активации, чем рецепторные клетки. Когда вы смотрите на реальную картину возбуждения проекционных нейронов и воздействуете на антенны разными запахами, это сразу бросается в глаза».
Механизмы ингибирования структурируют сигнал в каждом нейроне, как азбука Морзе. Стопфер продолжает: «Это сложные и воспроизводимые временные картины. Вы видите картины ингибирования, потом возбуждения, потом ингибирования. Вы видите серию всплесков, затем ингибирование, потом опять серия всплесков, опять ингибирование, и еще одна серия всплесков. И так все время!»
Разные скорости возбуждения сенсорных нейронов в ответ на разные стимулы приводят к изменению по разным временным шкалам. Например, возможны различные проходящие серии импульсов, тоническое возбуждение (медленное и постепенное), которое длится дольше воздействия стимула, или сочетание обоих вариантов. Кроме того, всплески могут иметь разную длительность, интенсивность, время задержки. Кроме возбуждения сигналы нейронов регулируются медленно и быстро действующими механизмами ингибирования, и так далее. Кей добавляет: «Таким образом, ингибирование координирует и формирует активность, а также определяет ее временной ритм. Без этого вы имеете просто массив входных сигналов – а при поступлении на следующий кортикальный уровень все размывается».
Стопфер объясняет, что торможение эффективно регулирует колебания популяций нейронов. «Например, в антенной доле мы видим ингибирование по двум временным шкалам. Есть очень медленные картины, определяющие поведение проекционных нейронов. На них накладываются очень быстрые ритмичные колебания, которые способствуют синхронизации пиков. Что это означает для остальной части системы? Идея Жиля, которая мне кажется правильной, в том, что следующие за ними клетки очень чувствительны к синхронизации».
Стопфер подчеркивает важность ингибирования для синхронизации активности. «Идея в том, что ритмическое торможение (колебание) координирует возбуждение популяций нейронов таким образом, что они становятся «синхронными». Пики двух разных нейронов синхронизируются, если происходят в одном цикле колебаний. Мы знаем об этом, поскольку реактивные нейроны обычно возбуждаются только на пике цикла».
Временное кодирование относится не к отдельным нейронам, а к координированной активности популяций нейронов. Стопфер комментирует: «Если бы пики этих проекционных нейронов были менее синхронизированы, нельзя было бы вызвать возбуждение клеток Кеньона». (Клетки Кеньона – нейроны грибовидного тела насекомых, аналога грушевидной коры у млекопитающих.) Пиков могло бы не быть, поскольку «эта активность была бы рассредоточенной и не суммировалась для достижения порогового значения, необходимого для возбуждения клеток Кеньона. Синхронизация позволяет клеткам Кеньона возбуждаться за счет того, что достаточное количество пиков проекционных нейронов выравнивается во времени. Но вспомните, что есть еще картина очень медленного торможения, которая определяет, какие проекционные нейроны возбуждаются в определенные моменты времени по отношению друг к другу. Только определенная популяция проекционных нейронов возбуждается примерно в одно и то же время, поскольку одни нейроны тормозятся, а другие – возбуждаются».
Картины возбуждения нейронной популяции накладываются друг на друга, приводя к более сложной связи между распространением сигнала и двигательным поведением, и наоборот. Возбуждение связано с поведением через сопряжение действия и восприятия. Как мозг читает эти сигналы?
Интерпретация азбуки Морзе
Важнейший этап процесса состоит из трех актов. Во-первых, специфичность ответа нейронов повышается при продолжительном воздействии стимула. Стопфер уточняет: «Когда запах появляется впервые, колебаний не происходит. Требуется двукратное или трехкратное воздействие запаха, прежде чем они начнутся. Это связано с пластичностью нейронов антенной доли, зависящей от активации. Локальные нейроны реагируют более эффективно после многократной активации. В результате повторного воздействия запахов тормозящие локальные нейроны все эффективнее синхронизируют активность проекционных нейронов. Мы считаем, что это помогает системе становиться более специфичной, если запах продолжает присутствовать».
Во-вторых, повторяющийся опыт обеспечивает избирательность и категоризацию. Стопфер комментирует: «Что важно, а что – помехи? Может быть, важным считается то, что присутствует постоянно, а не быстротечно. Допустим, вы находитесь рядом с источником запаха, или есть что-то, на что ваши рецепторы настроены наилучшим образом, и встречи с этим запахом будут повторяться. В результате процесс будет усиливаться, так что вся система станет еще специфичнее. Мы подозреваем, что при первой встрече с запахом происходит большой всплеск активности – не особенно специфичной, но, возможно, приводящей к некоему ориентирующему ответу, которой сообщает, что здесь есть нечто новое. Если запах еще какое-то время присутствует, система на него настраивается. В терминах динамических систем можно сказать, что антенная доля формирует аттрактор в отношении этого стимула, [помечая пространство], и затем система способна распознавать этот запах точнее».