Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Глава 2. Современные исследования обоняния: на перепутье

Прорыв, обозначивший начало современной эры в исследованиях обоняния, произошел в 1991 году. Линда Бак и Ричард Аксель нашли то, что впоследствии оказалось самым крупным мультигенным семейством в геноме млекопитающих^[98]. Это открытие не было случайным: Бак искала обонятельные рецепторы (ОР) на протяжении трех лет. Учитывая значительное разнообразие молекул запаха, она предполагала, что должно существовать достаточно большое семейство рецепторов, но не могла даже предположить, насколько огромным оно окажется.

Поначалу Бак обнаружила несколько разных рецепторов. И они не относились к какому-либо семейству. И в других лабораториях тоже не было положительных результатов. А три года без возможности опубликовать результаты – это долгий срок, особенно в начале научной карьеры. Но не стоит забывать о смелости Бак. Ее друг Стюарт Фаерштейн подчеркнул упорство Бак в хвалебной речи в ее адрес на лекции в Харвейском обществе:

Я несколько лет работал в области обоняния до того, пока хоть кто-то, за исключением Ричарда, впервые услышал о Линде Бак. Я ценю Линду, поскольку для меня она воплощение смелости в науке. Я всегда рассказываю о ней студентам. Она искала результат, который не был бы полуфабрикатом и не имел бы альтернатив. Теперь Ричард, который сегодня здесь и заплатил по счетам, стал поддерживать работу и понял, насколько это важно. Однако если бы кто-то другой в какой-то другой лаборатории обнаружил ОР, он не оставался бы в тени. Но для Линды – постдокторанта на протяжении какого-то немыслимого количества лет – это была высокая ставка. Она сильно рисковала, в том числе, возможно, всей своей научной карьерой. В нынешних условиях, благоприятствующих трансляционным исследованиям с лицензионными выплатами и попыткам делать что-то «полезное», трудно найти примеры такой научной смелости. Линда напоминает нам, как важна смелость^[99].

Ричард Аксель вспоминает момент, когда Бак вошла к нему в кабинет с результатами: «Она разработала очень разумную схему, и у нее получилось. Когда она показала мне результаты, я какое-то время молчал, поскольку все это начало разворачиваться у меня в голове».

Количественным показателем важности открытия является индекс цитирования. За 30 лет, предшествовавших открытию Бак и Акселя, ключевые слова «запах» и «обонятельный рецептор» встречались в 295 научных статьях; за первые пять лет после опубликования их работы это число составило 406, а за последующие 23 года оно выросло до 4037. Исходная публикация была выбрана для серии аннотированных исследовательских работ в журнале Cell, отмечавшей фундаментальные открытия в биологии за последние 40 лет^[100]. В 2004 году Бак и Аксель были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине^[101]. Обоняние – второстепенное направление в истории науки – взлетело до уровня важнейших научных исследований.

Нобелевский нос

Что же такого особенного в обонятельных рецепторах? И почему их открытие заложило основы современной нейробиологии обоняния? Есть три причины, объясняющие значение этих рецепторов: их количество, способ их открытия и их экспериментальная роль, обеспечившая систематический доступ к обонятельной функции мозга.

Обширное семейство обонятельных рецепторов относится к еще более крупному семейству белков – так называемому семейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs). GPCRs – надсемейство трансмембранных белков, задействованных в целом спектре важных биологических процессов, таких как зрение, регуляция иммунного ответа и обнаружение нейромедиаторов. Теперь мы знаем, что гены белков этого семейства составляют около 10 % генома млекопитающих. Однако значение этого семейства генов стало проявляться уже в конце 1980-х годов, когда молекулярный биолог Роберт Лефковиц из Университета Дьюка сообщил, что рецепторы адреналина и родопсин^[102] имеют ряд общих высокоспецифичных структурных мотивов и могут быть частью более объемного семейства рецепторов^[103]. Многие ученые надеялись, что обонятельные рецепторы, такие как GPCRs, позволят сделать несколько интересных генетических открытий. Эти надежды не просто оправдались – реальность превзошла их.

Благодаря принадлежности обонятельных рецепторов к этому семейству исследование обоняния стало одним из важнейших научных направлений. Структурные и функциональные характеристики обонятельных рецепторов сделали их великолепным образцом для исследований GPCRs. Оказалось, что к этому семейству относятся примерно тысяча белков у мыши и четыре сотни – у человека, что было выше всех все ожиданий. Для сравнения, самое крупное семейство GPCRs после обонятельных рецепторов – семейство рецепторов серотонина, и их число куда менее внушительно: тогда было известно чуть меньше дюжины, сейчас – пятнадцать. Другим интересным открытием, касающимся генетических характеристик только что обнаруженных рецепторов, было то, что они имели несколько важных аминокислотных мотивов, которые были и у других членов надсемейства. Кроме того, обонятельные рецепторы обладали дополнительными мотивами, общими для всех представителей семейства, но при этом чрезвычайно разнообразными. Иными словами, обонятельные рецепторы по функции и структуре отражали самые характерные свойства GPCRs, только в меньшем масштабе, и составляли при этом отдельное семейство. Учитывая, что примерно половина современных исследований по созданию лекарственных препаратов связана с воздействием на GPCRs, значение расшифровки молекулярного кода обонятельных рецепторов выходит далеко за пределы носа. На молекулярном уровне определение запахов не является чем-то особенным. Это простая модель^[104].

Кроме того, генетический интерес к обонятельным рецепторам был связан со способом их обнаружения. Обоняние стало признанной частью основных направлений исследований в нейробиологии, поскольку доказало возможность успешного применения важнейшей генетической методики и даже расширило ее применение.

Гениальность Бак отразилась в методологии ее экспериментов, основанной на необычном применении полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод ПЦР использует естественный процесс репликации ДНК, в котором участвует фермент полимераза, синтезирующий копию нити ДНК с использованием пары праймеров. Праймеры – это короткие последовательности нуклеотидов, связывающиеся комплементарным образом с определенными участками геномных последовательностей. Эту процедуру можно воспроизвести многократно, повторяя реакционный цикл и получая искомые фрагменты генома в экспоненциально возрастающем количестве. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет решать проблему недостатка генетического материала.

Немногие технологии оказали такое революционное влияние на науку, как метод ПЦР. Это изобретение Кэри Муллиса, удостоенного Нобелевской премии по химии в 1993 году, «буквально разделило биологию на две эпохи – до ПЦР и после ПЦР»^[105]. В период, когда Бак защитила диссертацию и начала работать, ПЦР был сравнительно новым инструментом. «Я была очень возбуждена, когда выходили статьи с описанием ПЦР, – вспоминала Бак. – Я думала, что ПЦР откроет двери ко многим вещам. Как чудесное лекарство для микробиологических целей! Только подумайте, что позволил сделать первый микроскоп; люди могли смотреть и могли видеть. А для меня самое главное – это видеть!»

На первых этапах развития любой новой технологии возникают многочисленные проблемы с подбором материалов и определением ограничений метода. В то время не было очевидно, что ПЦР – лучший инструмент для обнаружения неизвестного семейства генов. Метод основан на естественном механизме копирования и амплификации (размножения) известных генетических образцов и позволяет получать достаточное количество материала для крупномасштабных генетических исследований. Но важное исходное условие для проведения ПЦР в том, что геномная последовательность, которую собираются размножать, уже известна хотя бы отчасти; однако в то время не были выявлены никакие геномные последовательности обонятельных рецепторов.

Бак совместила два варианта ПЦР. Как в рыбацкой сети, она использовала сочетание различающихся генетических фрагментов (называемых вырожденными праймерами) для связывания и копирования целого спектра разных, но имеющих достаточную степень сходства геномных последовательностей. Праймеры для ПЦР называют вырожденными, когда в некоторых положениях в их последовательности располагаются разные основания: «например, в праймере GG(CG)A(CTG)A в третьей позиции стоит либо C, либо G, а в пятой – либо C, либо T, либо G»^[106]. Степень вырожденности праймера определяет количество таких специфических последовательностей (в данном примере их шесть). Таким образом, вырожденные праймеры менее специфичны и позволяют амплифицировать родственные, но различающиеся генетические последовательности.

«Для вырождения праймеров я собрала все известные последовательности [GPCRs], число которых было очень ограниченным, и сравнила их вручную. Затем я сконструировала вырожденные праймеры, которые позволяют амплифицировать любые из этих GPCRs за счет того, что уже являются гибридами». Далее Бак сделала еще один рискованный шаг: «Когда речь зашла об общих праймерах, я подумала, что это могут быть праймеры для GPCR, но, возможно, для рецепторов какого-то другого типа, например, для ядерных рецепторов. И поэтому я сконструировала общие праймеры не только для GPCRs, но также для семейства ядерных рецепторов».

Задача Бак была не в том, чтобы найти известные мотивы, общие для всех GPCRs. Ее комбинированная мозаика праймеров позволяла обнаружить частичное и перекрывающееся сходство между разными GPCRs. Но как узнать, нашли ли вы правильные гены? Вторая гениальная идея Бак – вместо ДНК использовать РНК. Этот выбор позволил ей получить генетический материал с разной молекулярной массой (концентрацией) и выбрать только самые тяжелые образцы! Вскоре использование вырожденных праймеров для ПЦР стало частью стандартного генетического протокола, например, для генетического сравнения организмов разных видов.

Идентификация генов рецепторов в конечном итоге дала ученым ключ к изучению обонятельного мозга. Это открытие выявило весьма специфический характер экспрессии генов в обонятельной системе, что обещало подарить прямой доступ к механизмам действия обонятельных нейронов. В каждом чувствительном нерве в эпителии носа экспрессируется один ген рецептора (то есть «обеспечивается появление в клетке продукта этого гена»). Следовательно, если экспериментатору удастся проследить признаки активации отдельного сенсорного нерва, он сможет непосредственно увидеть, где и как рецептор передает сигнал в мозг.

К концу XX века необходимые элементы для расшифровки механизмов обоняния уже были известны. В последующие два десятилетия несколько лабораторий включились в жесткую конкуренцию за расшифровку обонятельного кода. В 1990-х и 2000-х годах многие ученые верили, что обонятельный мозг скоро раскроет внутренние механизмы своей работы. Превалировало мнение, что обонятельная система, как и любая сенсорная система, для отражения стимулов использует нейронное пространство определенным топографическим образом. Но вопрос, как она это делает, оставался открытым. В отношении зрительной системы им уже занимались. И существовало множество причин, чтобы считать, что модель обонятельного мозга можно создать по аналогии с моделью зрительной системы.

Парадигма зрения и функциональная локализация

Нельзя не попасть под очарование зрительной системы. Задумайтесь на минуту: то, что вы обычно видите – это не то, на что «смотрят» клетки сетчатки. Зрение начинается с отдельных фотонов. Как регистрация фотонов вызывает формирование сложных зрительных образов, таких как человеческие лица?

Чтобы оценить работу зрительной системы, нужно признать важнейший принцип – клетки нашей зрительной системы действуют избирательно. Они не возбуждаются под влиянием любого стимула, но реагируют селективно на специфические признаки. Благодаря такой избирательности одиночные клетки объединяются в кластеры, а кластеры последовательно выстраиваются в сложный механизм извлечения сенсорной информации. И работает это весьма примечательным образом.

Зрение начинается с того, что фотоны, организованные в виде некоего энергетического рисунка, ударяют по рецепторам сетчатки (пока мы представляем себе это в виде двумерной пластинки в глубине глаза). Их сигнал передается по зрительному нерву – пучку нервных волокон, называемых аксонами, – к таламусу. Если сделать двусторонний срез головы позвоночного животного, таламус обнаружится непосредственно в центре мозга. Подобно ретранслятору в роутере, таламус собирает входящие сигналы от различных источников как сенсорной, так и моторной информации и передает их в соответствующие отделы коры полушарий головного мозга. Здесь сигнал от сетчатки идет через зрительный отдел таламуса – латеральное коленчатое тело. Далее эта информация отправляется в заднюю часть головы, где находится зрительная кора. Зрительная кора состоит из нескольких частей, определяющих ее функциональные подразделения. Главные сигналы от таламуса проецируются в первичную зрительную кору, также называемую зоной V1, или полосатой корой. Отсюда сигналы распространяются в несколько зон зрительной коры более высокого уровня (связанных со специализированными функциями, такими как движение, определение направления или обработка цвета)^[107].

Исследования зрения находятся в полном расцвете, поэтому данная схема зрительного пути – крайне упрощенная. Изучающая зрение нейробиолог Айна Пьюс из Индианского университета в Блумингтоне добавляет, что способность видеть не объясняется примитивной моделью сетчатка—таламус—зона V1: «Конечно же, есть альтернативный путь, ведущий к подушке таламуса, верхнему бугорку и экстрастриарной коре, минуя зону V1. Благодаря этому пути реализуется феномен слепозрения^[108]!»

Фундаментальным принципом зрительного пути является его способ получения сигнала извне. Зрительная кора работает на так называемых ретинотопических картах. Они обозначают области коры, соответствующие определенным областям сетчатки: когда мы наблюдаем за активностью коры, эти карты помогают точно определить, из какой части сетчатки приходит сигнал. И наоборот, когда мы исследуем сетчатку, мы видим, в какую точку коры проецируется сигнал. Наглядный пример этого принципа – центральная ямка, важнейшее место сетчатки, в которой наше зрение наиболее остро благодаря наивысшей концентрации колбочек (чувствительных к цвету рецепторов, реагирующих на источники света высокой интенсивности). Сигналы от центральной ямки приходят к определенному участку в зоне V1. Имея точку отсчета, мы можем нанести на карту других отделов первичной зрительной коры входные сигналы от соседних клеток сетчатки, ответственных за периферическое зрение. При такой организации принимаемые сетчаткой сигналы отражаются в виде картины возбуждения нейронов. Поскольку эта идея – ядро сенсорной нейробиологии, по-прежнему направляющей развитие современных исследований в области обоняния, необходимо обсудить ее исторический аспект и технические подробности.

На протяжении первой половины XX века многих ученых, изучавших мозг, волновала загадка: как информация от внешнего источника света кодируется на разных этапах зрительного пути? Зрительная система представляет данные в форме пространственных и временных картин, которые можно зарегистрировать по возбуждению нейронов. Вопрос в том, как система различает и интегрирует эти картины для создания единого зрительного образа.

Отправным моментом для решения этой загадки послужила серия революционных экспериментов^[109]. В конце 1950-х годов Дэвид Хьюбел и Торстон Визель, два молодых исследователя из Университета Джонса Хопкинса, зарегистрировали электрические сигналы отдельных клеток зрительной коры кошки. Они встроили микроэлектрод в зону V1 в задней части ее головы и записывали ответы на некоторые световые стимулы, появлявшиеся на экране. Как часто бывает с котами, поначалу почти ничего не происходило. Ни находящееся под наркозом животное, ни его корковые клетки заметным образом не реагировали на изображения на экране. На этом эксперимент мог бы закончиться, если бы не одна счастливая случайность, столь характерная для важнейших событий в истории науки. Хьюбел и Визель подавали стимулы с помощью проектора и прозрачных стеклянных слайдов с черными и белыми пятнами. История гласит, что в тот день после многих часов безрезультатных экспериментов они начали укладывать оборудование, как вдруг микроэлектрод в голове кота выдал звук клеточной активности, напоминавший быструю пулеметную очередь.

Несколько часов ушло на то, чтобы понять причины произошедшего. Стеклянный слайд, который они использовали, был грязным по краям. Когда он сполз с проектора, на экране возникла тонкая линия, а не пятно. Продолжая эксперимент, Хьюбел и Визель обнаружили кое-что еще. Клетки полосатого тела не просто реагировали на линии, но также, по-видимому, предпочитали линии в определенной ориентации. Более того, и это особенно важно, клетки, обозначающие склонность к конкретной ориентации, формировали группы.

То, что мы видим – не пассивное отражение внешнего мира. Как выяснилось, визуальные образы представляют собой конструкты, созданные нашей сенсорной системой. Хьюбел и Визель опубликовали свои результаты в виде серии из трех статей и именно за них в 1981 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.

Хьюбел и Визель внесли двойной вклад в развитие нейробиологии. В первую очередь их открытия уладили длительный конфликт между двумя основными теориями функционирования мозга^[110]. Одна теория постулирует, что любой ментальный процесс более или менее равномерно распределен по всему мозгу или по крайней мере вовлекает большинство его областей. Эта идея известна как концепция эквипотенциальности мозга. Она доминировала в XIX веке, а ее самыми известными сторонниками были французский физиолог Жан-Пьер Флуранс и швейцарский анатом Альбрехт фон Галлер. Несмотря на накапливавшиеся несоответствия, эта теория продолжала влиять на исследования нейронных и психологических механизмов мозга на протяжении всей первой половины XX века, что, например, проявилось в работе американского психолога и когнитивиста Карла Лешли.

Альтернативная теория функциональной локализации предполагала наличие в мозге выраженных анатомических участков, соответствующих физиологическим функциям и ментальным возможностям. Одним из первых сторонников этой теории был шведский ученый XVIII века Эммануил Сведенборг. Идея локализации получила распространение в форме френологии, которую в XIX веке горячо пропагандировал немецкий нейроанатом Франц Йозеф Галль. Поначалу к этой идее относились скептически. Однако дальнейшие наблюдения, особенно эксперименты с повреждениями мозга, подтверждали идею, что некоторые сенсорные и когнитивные функции связаны с активностью специфических участков мозга. Это предположение дополнительно укрепилось благодаря исследованиям таких выдающихся ученых, как французский врач Поль Брока и шотландский невролог Дэвид Ферриер.

Поворотный момент произошел на заре нового столетия с появлением метода Гольджи, названного по имени его изобретателя итальянского врача Камилло Гольджи. Этот элегантный метод окрашивания показал, что мозг – не однородная субстанция, а сложная и запутанная конструкция из отдельных нервных клеток и слоев. Ситуация оказалась достаточно забавной, поскольку сам Гольджи горячо отстаивал противоположную точку зрения. Он полагал, что весь мозг представляет собой синцитий – единую массу ткани с общей цитоплазмой. Его противостояние с нейронной доктриной Рамон-и-Кахаля стало легендой. Изображения, полученные с помощью метода Гольджи, обеспечили важнейшее понимание анатомического строения мозга. Открытия Хьюбела и Визеля представили необходимые доказательства для определения точного функционального разделения этих клеточных слоев.

Второй аспект открытия Хьюбела и Визеля по значимости даже превосходит первый. Их исследования открыли широкий новый путь для моделирования нейронных механизмов обработки сенсорных сигналов, что было вполне в духе времени. В период работы Хьюбела и Визеля важнейшей концепцией, привлекавшей в биологических науках огромное внимание, была концепция информации. В нескольких направлениях исследований, особенно в генетике, но также и в изучении сенсорных путей, возникло представление, что биологические системы действуют подобно кодирующим информацию машинам. Открытие Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и в определенной степени Розалинд Франклин в 1954^[111] году двойной спирали ДНК подтвердило, что чрезвычайно важно говорить об информации в биологических терминах. Идею подхватили кибернетические исследования биологических систем, возглавленные Норбертом Винером, Уолтером Питтсом и другими^[112]. В этом контексте встал вопрос: какая информация передается сенсорными системами? Каковы принципы устройства кодирующих систем, благодаря которым информация передается от первичных органов чувств, например, глаз, к мозгу?

В начале 1950-х годов Штефан Куффлер, в чьей лаборатории в Университете Джонса Хопкинса работали Хьюбел и Визель, показал, что первый этап кодирования зрительной информации осуществляется уже в сетчатке^[113]. Это было важное открытие, поскольку оно означало, что глаз не просто регистрирует, но активно отбирает и организует световые картины. Выводы Куффлера согласовывались с другими данными, полученными его современниками, в частности, со знаменитой публикацией Джерома Леттвина 1959 года с великолепным названием «Что глаз лягушки говорит мозгу лягушки»^[114]. Ключ, который Куффлер вручил Хьюбелу и Визелю – концепция рецептивного поля нейронов. Рецептивное поле – это набор световых стимулов с определенным положением в пространстве, на который реагируют клетки сетчатки.

Исследования Куффлера показали, что клетки сетчатки выводят зрительный сигнал как бы кругами благодаря их организации по принципу «центр-периферия». Некоторые клетки реагируют на световую энергию более активно. Такие возбуждающиеся клетки окружают другие клетки, которые на стимуляцию отвечают торможением. Эти круговые образования помечаются как «on-центр». Другие группы клеток, построенные противоположным образом, маркируются как «off-центр»: в середине располагаются тормозящие клетки, а возбуждающиеся – вокруг них. В каком-то смысле мир, который передают наши глаза, состоит из темных и светлых пятен. Понятное дело, это не то, что мы видим. Как из круговерти черных и белых пятен мы получаем четкое изображение предметов?

Именно эту загадку пытались разгадать Хьюбел и Визель в экспериментах на коре мозга кошки. Они обнаружили, что в корковых клетках мозга кошки происходит узкоспециализированная иерархическая интеграция. Чем выше уровень сенсорной обработки, тем более избирательно реагируют клетки. За несколько этапов опосредованной синаптической передачи рецептивные поля черных и белых пятен в сетчатке превращаются в линии в первичной зрительной коре. Потом эти контуры собираются в изогнутые линии и т. д. Идя от первичной зрительной коры к высшим корковым областям зрительной системы, мы наблюдаем переход от так называемых простых клеток (чувствительных к ориентации) к сложным клеткам (чувствительным к движению) и гиперсложным клеткам, или «клеткам с концевым торможением» (чувствительным к длине линии). Избирательность клеток по отношению к сигналу растет в соответствии с усложнением возникающего изображения.

Это открытие подтверждало гипотезу: мозг воспринимает информацию за счет сигналов от специализированных групп клеток, а не за счет равномерного вклада всех нейронов. Появилось понимание, что мозг работает благодаря последовательной и иерархической организации нейронных кластеров. Обнаружение такой упорядоченной и последовательной обработки информации позволило сформировать представление о схеме ее передачи и поднять вопросы о том, что и как вычисляет мозг.

Вычислительная концепция, внедренная в исследования передачи нейронных сигналов, оказала серьезное влияние на зарождавшееся направление нейробиологии. Она позволила разделить процесс обработки сенсорных сигналов на несколько этапов хотя бы умозрительно и анализировать их относительно независимо. Это способствовало теоретическому пониманию отдельных этапов обработки сигнала в процессе восприятия, которое не зависело от случайных открытий, сделанных при изучении одной только нейронной структуры.