ечены только синапсы гранулярно-митрального направления, а информация передается ближайшей митральной клетке, в случае аутоингибиции сопротивление отсутствует. Открытый нами тип нейронной цепи позволял осуществлять как аутоингибицию, так и латеральную ингибицию в меньших масштабах, чем в классической конфигурации. Мы также подчеркнули, что латеральная ингибиция, скорее всего, играет важную роль в создании пространственных схем в обонятельной луковице, а также способствует колебательной активности гранулярных и митральных клеточных масс. Следовательно, в основе как пространственных, так и временных аспектов обработки образов запаха лежат одни и те же механизмы.
В одной из последующий статей, опубликованных в журнале Scientific American, я назвал эту группу взаимодействий «микроцепями», по аналогии с микроцепями и микросхемами компьютерных плат. Этот термин пришелся по душе научному сообществу и впоследствии стал использоваться для описания строения нервной системы, а именно специфических и повторяющихся схем соединения и взаимодействий, наиболее показательными примерами которых по сей день считаются те самые взаимодействия, которые мы обнаружили в обонятельной луковице.
Каким же образом происходит координация отдаленных друг от друга гломерулярных модулей? Мы уже рассмотрели локальные механизмы, благодаря которым перигломерулярные клетки координируют гломерулы в рамках одного модуля. Теперь же нам предстоит узнать, как те же механизмы работают на другом уровне, уже с помощью гранулярных клеток и латеральной ингибиции.
Разумеется, здесь тоже имеется своя проблема: образ запаха раскидывается на значительную часть гломерулярного слоя, даже если обоняние стимулируют всего одной одорированной молекулой (см. главу 8). Любой образ запаха задействует множество митральных и пучковых клеток, находящихся на изрядном отдалении друг от друга; для усиления образа запаха посредством латеральной ингибиции активность этих клеток должна быть скоординированной. Так каким же образом обеспечивается эффективная латеральная ингибиция на малых и больших расстояниях?
Ответ на этот вопрос обнаружился благодаря новому методу исследования, в основе которого лежал вирус бешенства. Ученые и медики уже знали, что вирус бешенства проникает в нервные клетки, распространяется по их ветвям и убивает их; а еще он перекидывается на сопряженные клетки, чтобы затем уничтожить и их. Специалисты по молекулярной биологии воспользовались этой особенностью вируса и превратили его в инструмент для исследования связей между нервными клетками: на основе изначального вируса бешенства они создали вирус «псевдобешенства», со значительно пониженной летальностью. Отметив его флуоресцентным маркером, они получили возможность отслеживать распространение вируса как в клетке, так и между клетками.
Дэйвид Уилхайт, докторант при нашей лаборатории, с помощью этого метода проследил связь митральных и гранулярных клеток. Это стало наглядной демонстрацией того, что одна зараженная митральная клетка связана с близлежащим кластером гранулярных клеток, а также с митральными, пучковыми и перигломерулярными клетками, связанными с одной гломерулой. Для обработки гломерулярного сигнала образуется клеточная колонка; подобные структуры имеются и в некоторых участках коры головного мозга. Мы назвали это клеточное образование «гломерулярной единицей». Уилхайт обнаружил, что отдельная митральная клетка связана со многими гломерулярными модулями, расположенными в разных частях гломерулярной клетки. По всей видимости, именно эта особенность может лежать в основе гипотетической скоординированности латеральной ингибиции.
Так чем же обусловлена способность одной митральной клетки воздействовать посредством латеральной ингибиции на митральные клетки других гломерулярных единиц, находящихся от нее на разном расстоянии? Разгадку этой головоломки нашли двое наших коллег, Венхуй Сьон и Вей Чен. Они продемонстрировали, что импульс из тела митральной клетки проходит не только вверх по аксону и дальше, в обонятельную кору, но и в обратном направлении, достигая самых кончиков латеральных дендритов. Получалось, что дендриты, подобно аксонам, умеют передавать клеточный импульс на значительные расстояния, а значит, могут как активировать гранулярные клетки, так и запускать латеральную ингибицию в различных частях обонятельной луковицы.
Другой наш коллега Мишель Миглиори составил цифровую модель импульса, активирующего гранулярные клетки различных гломерулярных единиц, находящихся на разном расстоянии от клетки-источника, и доказал, что расстояние не препятствует сильной латеральной ингибиции, необходимой для обработки распределенных по обонятельной луковице образов запаха. Его открытие стало первым серьезным дополнением к нашей изначальной модели обонятельного восприятия за 40 лет. Как и в прошлый раз, первая попытка опубликовать исследование закончилась уже знакомой отпиской «не представляет общенаучного интереса» и отказом; как и в прошлый раз, статью опубликовали в другом журнале.
Эти механизмы ингибиции не только усиливают пространственные образы, но и синхронизируют активность митральных клеток, блокируя их обратную связь, как и предполагалось при составлении изначальной модели (в которой уже подразумевалось, что схема запаха существует как в пространстве, так и во времени). Многие нюансы новой гипотезы еще нуждаются в экспериментальном подкреплении, но даже в текущем состоянии с ней можно работать; она развивает изначальную модель и может задавать направление будущим исследованиям и экспериментам.
Внимательный читатель наверняка заметил, что новая модель возникла благодаря скоординированным усилиям нескольких исследовательских коллективов. Это наглядно демонстрирует некоторые особенности проведения фундаментальных исследований: они нуждаются в стабильном финансировании на протяжении достаточно длительного периода, а количество исследователей, работающих над разными аспектами одной проблемы, должно достигнуть некоей критической массы. Не меньший вес имеет и возможность сочетать метод компьютерного моделирования с экспериментальным подходом к исследуемой проблеме. Именно благодаря соблюдению этих условий мы смогли обнаружить дендро-дендритные синапсы и механизмы их взаимодействия; они же позволили нам продвинуться на шаг дальше и понять, как именно дендриты обеспечивают скоординированную активацию клеток в разрозненных гломерулярных единицах.
Гранулярные клетки не только участвуют в этом важном этапе обработки поступающей сенсорной информации, но и являются ключевым элементом модуляции (изменения) поведенческого статуса животного. Под поведенческим статусом понимается текущее состояние животного – спит оно или бодрствует, голодное или же насытилось. Разумеется, обонятельная луковица играет важную роль в механизмах голода и насыщения: если мы голодны, то запах пищи (как обычные запахи, так и вкусовые ощущения) заметно стимулирует наш аппетит; когда мы наелись до отвала, то запах уже не кажется нам настолько привлекательным, а может и вовсе стать несколько отталкивающим. Очевидно, что модуляция имеет критическое значение для системы восприятия вкусовых ощущений нашим мозгом. То, как мы воспринимаем запахи, напрямую зависит от того, голодны мы или сыты, и первые различия возникают именно в обонятельной луковице.
Обоняние играет важную роль в механизме голод/насыщение. Если мы голодны, запах пищи (и вкусовые ощущения) кажутся нам заманчивыми и стимулируют аппетит; из-за сытости запах уже не кажется настолько привлекательным.
Впервые этот процесс был продемонстрирован в 1987 году французским специалистом Жанной Пагер – она записала показатели активности митральных клеток крыс и обнаружила, что клетки голодных крыс показали сильную реакцию, а клетки сытых, напротив, слабую. Вероятно, в данном случае клетки отражают активность центральных зон головного мозга, находящихся под влиянием пищевых сигналов, таких как уровень глюкозы в крови и стимуляции тактильных рецепторов кишечника. Эти же центральные зоны передают гранулярным клеткам множество сигналов (наиболее тесно они взаимодействуют с зоной ствола головного мозга, известной как голубое пятно[50], и диагональной полосой (или извилиной) в переднем мозге). На рис. 7.1 отмечены эти «центробежные» волокна, расходящиеся из ствола мозга и ядра горизонтального лимба диагональной линии Брока (ЯГЛДБ), расположенного в переднем мозге. Гипотетически активность этих нервных волокон ограничивает поток сенсорной информации о запахах в тех случаях, когда того требует пищевой статус животного. При помощи гранулярных клеток и гломерул эти зоны неустанно модулируют схемы ретроназального восприятия запаха; именно благодаря им мы постепенно насыщаемся по мере того, как едим свой ужин.
Аналогичные механизмы модуляции есть и на всех последующих, более глубоких уровнях восприятия нашего мозга. Пожалуй, именно обоняние является наиболее тонко модулируемым из всех наших чувств восприятия. Судя по всему, это связано с зависимостью нашего восприятия пищевых ароматов от текущего поведенческого статуса: мы можем быть голодными или сытыми, разозленными или расстроенными; можем страстно хотеть чего-то или испытывать отвращение, можем с подозрением относиться к незнакомой пище («неофобия») или, напротив, стремиться распробовать что-то новенькое («неофилия»). В любом случае, наш поведенческий статус видоизменяет то, как мы воспринимаем запах. В следующей главе мы поподробнее рассмотрим как аппетит модулирует центральные зоны мозга, сопряженные с восприятием вкусовых ощущений.
Глава 11Создание, изучение и запоминание запахов
У всех млекопитающих волокна, исходящие из обонятельной луковицы, собираются в единый пучок, называемый