Эксперименты на мышах показали, что обонятельная система классифицирует обонятельные стимулы на основе их химических и электрохимических свойств.
Работа ученых из Гарвардской медицинской школы, опубликованная в Nature, проливает свет на то, как наш мозг воспринимает и структурирует обонятельную информацию. Исследователи впервые описали, как взаимосвязь между различными запахами кодируется в обонятельной коре.
Обоняние позволяет животным определить химическую природу окружающего мира. Сенсорные нейроны в носу обнаруживают молекулы пахучего вещества и передают сигналы обонятельной луковице — специальной структуре мозга, где происходит первоначальная обработка запаха. Обонятельная луковица в основном передает информацию в пириформную, или же грушевидную, кору для более полной обработки.
В отличие от восприятия света или звука — стимулов, которые легко контролируются с помощью подстройки отдельных характеристик, таких как частота и длина волны, — восприятие запаха изучать гораздо сложнее. Часто незначительные химические изменения (например, несколько атомов углерода или кислорода) могут привести к значительным различиям в восприятии обонятельного стимула.
Авторы работы попытались проверить, как мозг идентифицирует связанные, но все же различающиеся запахи. Отбирая пахучие субстанции с хорошо изученной молекулярной структурой, ученые давали их понюхать мышам, анализируя при этом нейронную активность грызунов. Субстанции предварительно классифицировали при помощи методов машинного обучения, учитывая тысячи различных характеристик, таких как количество атомов, молекулярная масса, электрохимические свойства.
Перед проведением эксперимента были сформированы три набора пахучих субстанций, различающихся по своему разнообразию. Первый был наиболее многоплановым, второй обладал средней диверсифицированностью, а третий состоял из очень схожих по своей структуре молекул, различавшихся лишь длиной углеродной цепочки. Мышей подвергали воздействию разных наборов пахучих молекул.
Оказалось, нейрональные представления о запахе в обонятельной коре головного мозга отражают химическое сходство между раздражителями. Связанные запахи проходили одни и те же паттерны нервных клеток как в обонятельной луковице, так и в пириформной коре. Это позволяет животным категоризировать запахи и, возможно, связывать их с сенсорным опытом.
Дополнительный анализ выявил, что разнообразные химические особенности, такие как молекулярный вес или определенные электрохимические свойства, были достоверно связаны с характером нейронной активности. Информация, полученная из этих признаков, позволяла надежно предсказать реакции корковых нейронов на запах у одного животного на основе экспериментов с другим грызуном.
Исследователи также обнаружили, что эти нейронные представления о запахах были достаточно пластичными. Мышам неоднократно давали смесь двух запахов, и со временем соответствующие нейронные паттерны этих ароматов в коре мозга начинали коррелировать сильнее. Это происходило даже тогда, когда два запаха имели различную химическую структуру.
Открытие позволяет понять, почему у всех нас есть общая система взглядов на запахи и как так получается, что у разных людей опыт, связанный с обонятельными раздражителями, очень схож. «Все мы думаем, что запах лимона и лайма похожи, и согласны, что они пахнут не так, как пицца, но до сих пор мы не знали, как мозг организует такую информацию», — говорит старший автор исследования, нейробиолог Сандип Роберт Датта.
Автор: Денис Гордеев