Чтобы составить комплексное представление о схемах активности и сравнить их друг с другом, в 1979 году в нашей лаборатории под руководством Уильяма Стюарта и Джона Кауэра была разработана процедура картирования, основанная на форме обонятельной луковицы: она представляет собой почти правильную сферу, за исключением отростка, соединяющего ее с мозгом. Мы адаптировали метод «проекции», применяющийся для составления карт мира, и использовали ту же систему координат: широту и долготу. Этот метод называется проекцией Мольвейде, и найти его вы можете в любом атласе мира.
В нейронауках этот метод картирования мозга, то есть нейрокартирования, используется для составления плоскостных карт. В нашем случае локусы активности обнаружились в гломерулярном слое. Они накладываются друг на друга, но для разных запахов отличаются. Таким образом, мы смогли развить гипотезу Адриана, что в основе распознавания запахов могут лежать характерные пространственные схемы. Метод 2-ДГ также показал, что при самой низкой концентрации запаха (минимальной воспринимаемой человеческим обонянием) активировалось лишь несколько локусов, а то и вовсе один; предположительно, каждый из них был локализован в одной или нескольких гломерулах. По мере повышения интенсивности запаха соответственно повышалось и количество активных гломерул. Получалось, что в схемах активности кодировался как вид, так и интенсивность запаха.
Кажется, что с такими перспективными результатами этот метод должны были взять на вооружение множество лабораторий, надеясь лично убедиться в его эффективности и продолжить исследования схем обонятельного восприятия, – но нет, этого не произошло; тому препятствовали некоторые особенности метода. Алгоритм подразумевал использование дорогого изотопа глюкозы, что делало его слишком финансово затратным и ресурсоемким для подавляющего большинства лабораторий. Картирование также сопряжено с огромным объемом монотонных и трудоемких гистологических манипуляций. Еще одним серьезным препятствием было использование радиационного облучения – большинство физиологических и психологических лабораторий просто не предназначены для работы с радиацией.
Первый шаг к дальнейшему развитию метода был сделан Лесли Скином из Делавэра. Вместе с Шарпом он искал доказательства реакции на феромонные раздражители в обонятельной луковице приматов. Вскоре метод начали использовать Андре Холлей и его коллеги во Франции, в Лионе. Подкрепив наши наработки своими исследованиями, они продолжили деятельность в этом направлении и подметили, что наличие разных схем активности для разных запахов позволяет отнести обонятельное восприятие к категории «распознавания образов», как в зрительном восприятии. Их вывод, как уже упоминалось в предыдущей главе, впоследствии лег в основу актуальной концепции нейронного уровня восприятия запахов.
АРХИВЫ ОБРАЗОВ ЗАПАХОВ
Майкл Леон и Бретт Джонсон из Калифорнийского университета проделали огромную работу, существенно расширив коллекцию полученных при помощи метода 2-ДГ плоскостных карт. В архиве на их сайте размещены карты свыше 500 образов запахов. (Ссылку на их сайт в числе прочих упоминаемых в тексте можно найти на сайте лаборатории SenseLab.)
В начале 90-х годов появилось несколько новых методов анализа схем активности клеток обонятельной луковицы. Большинство из них резюмируются в статье 2000 года, написанной Фукиангом Хсю и Чарльзом Гриром в соавторстве со мной. Чтобы осознать истинные масштабы открывшейся перед нами сферы исследований, достаточно заглянуть на сайт Леона или лаборатории SenseLab. При всей масштабности наших архивов в них представлена лишь малая часть бесконечного множества вариаций пространственных схем активности, отражающих мириады молекул запаха. Именно на основе этих схем наш мозг создает образы запаха, благодаря которым работает обоняние.
Глава 8
Запахи как лица
Если вам когда-либо обследовали мозг или иную часть тела с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), то вы знаете, что для нее вас помещают в центр большого круглого магнита. Эта технология была разработана в 1990-е годы. Как и в случае метода с использованием 2-деоксиглюкозы (2-ДГ), фМРТ работает благодаря локальным изменениям мозгового кровообращения, которое во многом зависит от энергетических запросов активных нервных клеток. Используемый для фМРТ магнит большой потому, что именно в его центр должен помещаться человек. Изначально аппараты фМРТ создавали достаточно слабое магнитное поле в 1–2 Тл (тесла – единица измерения силы магнитного поля), а позже появились аппараты с полем до 4 Тл. фМРТ позволяет делать снимки активности с разрешением примерно от 0,00006 до 0,00012 кубических дюймов (от 1 до 2 мм3), где-то с толстую часть грифеля карандаша; при таком качестве изображения можно разглядеть отдельные зоны мозга, но слои на нем не рассмотришь.
НОВЫЙ ПОДХОД: СХЕМЫ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ НА СНИМКАХ ФМРТ
Когда процедура фМРТ для людей еще находилась в разработке, для совершенствования этого метода аппаратного исследования и интерпретации результатов обычным делом было проведение сравнительного анализа между человеческими снимками и снимками мелких млекопитающих, например грызунов. Для фМРТ снимков грызунов используются маленькие магниты с диаметром центрального отверстия всего в несколько дюймов, и они гораздо мощнее, чем в «человеческих» аппаратах; сила создаваемого ими магнитного поля начинается от 11 Тл и позволяет получать снимки куда более высокого разрешения, приблизительно в 100 мкм (0.1 мм). Примерно такого же размера обонятельные гломерулы. Высокое разрешение снимков не единственное преимущество технологии фМРТ. Благодаря ему можно проверять реакцию на различные запахи, тратить меньше времени на стимуляцию и регистрировать более быстрые реакции.
Осознав, что эта технология подходит для изучения обонятельных схем активности, я понял, что пора действовать. Волею случая один из мировых центров разработки фМРТ, проводящий эксперименты на животных, находился в Йельском университете, двумя этажами ниже моей лаборатории. Мы с моим коллегой по проекту 2-деоксиглюкозы (2-ДГ) Чарльзом Гриром, встретились с руководителем программы фМРТ Робертом Шульманом и его коллегами Дугласом Ротманом и Фахмидом Хайдером и предложили им совместный проект, сделав упор на то, как здорово было бы научиться запечатлевать гломерулярный слой и, более того, идентифицировать отдельные активные гломерулы. Они с радостью приняли наше предложение и показали свою последнюю наработку: сделанные при помощи фМРТ снимки части мозга крысы, соответствующей вибриссам
[47]; на них было видно, что каждому из 24 штук соответствует отдельная группа клеток коры головного мозга, называемая баррелем. Они продемонстрировали, что фМРТ позволяет регистрировать активность даже отдельного барреля, если на соответствующий ему волосок оказывается воздействие. Все быстро сошлись на том, что эксперименты с обонятельным восприятием должны увенчаться успехом.
Мы начали с магнита силой в 4,7 Тл. Вместе со специалистами по снимкам мы с Гриром разрабатывали «ольфактометр» (прибор для введения запахов), который бы позволил стимулировать обоняние находящейся под наркозом крысы, лежащей в камере аппарата. Полученные нами изображения превзошли самые смелые ожидания – на первых же снимках отчетливо просматривались схемы активности, происходившие, судя по всему, на том же гломерулярном слое, что в проекте 2-ДГ. Коллеги из лаборатории фМРТ сообщили, что наши снимки куда отчетливее, чем все полученные ими ранее фотографии других частей мозга. Мы объяснили, что четкость наверняка обусловлена схождением в гломерулярном слое обонятельной луковицы тысяч нервных волокон обонятельной системы, благодаря которым сигнальная активность клеток сопоставлялась с соответствующими гломерулами.
