Как мозг человека и животных распознает запахи — ученые нашли общую систему, сохраненную в ходе эволюции

Способы физического взаимодействия с запахами у разных видов млекопитающих существенно различаются. Мелкие грызуны исследуют пространство с помощью высокочастотного дыхания, совершая от 10 до 12 вдохов в секунду. Человек, напротив, использует одиночные, медленные вдохи длительностью от трех до пяти секунд.

В нейробиологии долгое время считалось, что эти поведенческие различия разграничивают и механизмы кодирования запахов. Предполагалось, что непрерывное ритмическое принюхивание грызунов необходимо для поддержания временной точности сенсорного потока, в то время как медленное дыхание человека работает по иным принципам постоянного накопления данных. Однако две параллельные работы, опубликованные в журнале Science Advances, показывают, что оба вида используют единый фундаментальный принцип дискретной обработки информации. Различаются лишь физиологические уровни, на которых происходит разделение непрерывного сигнала на отдельные порции.

Механика одиночного вдоха у грызунов: моторно-сенсорная интеграция

Первое исследование, проведенное нейробиологами из Северо-Западного университета (Чикаго, США), было направлено на изучение пищевого поведения мышей. В обычных условиях грызуны принюхиваются ритмически. Однако во время манипуляций с пищей они совершают иное действие: прерывают ритм, быстро подносят объект к ноздрям на очень короткое время (около 100 миллисекунд), совершая один изолированный вдох, а затем убирают пищу назад к ротовой полости для употребления.

Чтобы понять физиологию этого процесса, авторы работы создали комплексную установку, совмещающую высокоскоростную видеосъемку (300 кадров в секунду), автоматическое слежение за положением тела и прямую регистрацию дыхания. С помощью алгоритмов машинного обучения исследователи определяли точные координаты кончика носа и передних конечностей мышей в реальном времени. Одновременно с этим имплантированные в носовую полость термисторы регистрировали изменения температуры воздушного потока, фиксируя фазы вдоха и выдоха.

Анализ данных показал высокую точность временной координации: в момент, когда расстояние между пищей в лапах и ноздрями мыши становилось минимальным, животное совершало один быстрый вдох. Временное расхождение между точкой максимального сближения и началом вдоха составляло в среднем всего 3 миллисекунды.

Этот одиночный вдох приводил к мгновенной перестройке активности дыхательного центра в стволе мозга. Происходил фазовый сброс текущего ритма: вне зависимости от того, в какой фазе дыхания находилось животное до сближения с пищей, в момент контакта немедленно инициировался новый вдох. В результате обонятельная система получала единичный, но максимально концентрированный объем информации.

Для определения нейронных путей, управляющих этим процессом, исследователи провели серию экспериментов с направленными воздействиями:

1. Оптогенетическое подавление двигательной коры. Ученые использовали трансгенных мышей с экспрессией светочувствительного белка каналородопсина-2 в тормозных интернейронах коры. При подаче синего света через имплантированные оптические волокна временно блокировалась активность вторичной моторной коры (M2) — зоны, связанной с управлением движениями конечностей и головы. В результате этого вмешательства одиночные принюхивания полностью исчезали, хотя способность манипулировать пищей и общая динамика питания у мышей сохранялись. Это доказывает, что одиночный вдох при контакте с пищей регулируется двигательными центрами коры головного мозга.
2. Химическое отключение обоняния. Чтобы проверить, зависит ли это поведение от самого запаха, мышей обрабатывали метимазолом — веществом, временно разрушающим обонятельный эпителий и вызывающим гипосмию. После обработки животным требовалось значительно больше времени на поиск пищи в камере, однако после ее нахождения они продолжали совершать точно скоординированные одиночные вдохи при поднесении объекта к носу. Частота вдохов при этом даже возрастала. Это подтверждает, что данное поведение является проактивным поисковым действием, запускаемым центральной нервной системой превентивно, а не реактивным ответом на появление запаха.
3. Модуляция поведения свойствами стимула. Исследователи меняли условия эксперимента, предлагая мышам либо привычный стандартизированный корм, либо новые для них семена подсолнечника. При контакте с незнакомым объектом частота одиночных вдохов возрастала более чем в четыре раза, а их амплитуда увеличивалась почти вдвое. Аналогичное увеличение частоты вдохов регистрировалось, когда мышам предлагали шарики из корма, внутри которых находился нежелательный компонент (фекалии). Животные совершали серию быстрых одиночных проверок, после чего отвергали объект.

Так, на примере грызунов ученые описали сложный двигательный паттерн, при котором моторная кора подчиняет себе дыхательный центр ствола мозга, заставляя его совершать одиночный изолированный забор воздуха точно в момент максимального физического контакта с объектом.

Электрофизиологическая сегментация при медленном дыхании человека

Если мыши способны извлекать информацию из одиночных вдохов благодаря быстрой моторике и координации движений, то для человека с его медленным дыханием такой путь физически невозможен. Нам требуется несколько секунд, чтобы совершить один глубокий вдох. За это время молекулы летучих веществ распределяются по рецепторам неравномерно, а динамика воздушного потока постоянно меняется. Тем не менее, временная точность обоняния человека сопоставима с показателями грызунов — мы способны улавливать изменения запаха в масштабе десятков миллисекунд.

Чтобы выяснить, как обонятельная система человека преодолевает ограничения медленного дыхания, исследовательская группа под руководством Кристины Зелано из Северо-Западного университета провела уникальный эксперимент с участием шести здоровых добровольцев. С помощью эндоскопа ученые ввели в носовую полость испытуемых гибкие диагностические электроды, расположив их непосредственно под решетчатой пластинкой черепа, в одном миллиметре от поверхности обонятельной лучевицы — структуры головного мозга, принимающей первичные сигналы от рецепторов носа.

Электрофизиологическая запись активности обонятельной луковицы человека во время выполнения различных поведенческих задач выявила четкие закономерности:

• Индукция тета-ритма. Произвольный вдох (в отличие от пассивного автоматического дыхания через нос) вызывает в обонятельной луковице человека выраженные нейронные колебания низкой частоты — тета-ритм в диапазоне от 2 до 8 герц. При этом происходит фазовый сброс колебаний: в момент начала вдоха фазы тета-волн у разных испытуемых и в разных пробах выстраиваются единообразно, обеспечивая синхронизацию начала анализа.
• Кросс-частотное сопряжение. Исследователи обнаружили феномен взаимодействия между низкочастотными и высокочастотными колебаниями. Фаза медленного тета-ритма напрямую управляла амплитудой быстрых гамма-колебаний (30-60 герц), которые отвечают за непосредственную обработку информации об идентичности запаха. Гамма-вспышки возникали строго во впадинах тета-волны.
• Частота внутренней дискретизации. Спектральный анализ огибающей гамма-излучения показал, что модуляция происходит на частоте около 5.86 герц. Это означает, что во время одного непрерывного физического вдоха длительностью в три секунды обонятельная луковица человека делит поступающую информацию на дискретные временные интервалы (около шести раз в секунду). Каждая тета-волна создает временное окно для пачки высокочастотных гамма-колебаний.

Чтобы подтвердить локализацию зарегистрированных сигналов именно в обонятельной луковице, а не в прилежащих областях коры, ученые провели пять уровней контроля:

1. Запись у пациента с врожденной аносмией. Один из участников эксперимента страдал врожденным отсутствием обоняния и не имел сформированной обонятельной луковицы (что подтверждалось данными магнитно-резонансной томографии высокого разрешения). При подаче пахучих веществ и совершении произвольных вдохов у этого участника полностью отсутствовали тета- и гамма-колебания в исследуемой зоне, что исключает регистрацию артефактов дыхательного движения или общего внимания.
2. Сравнение сенсорных модальностей. В задаче на сопоставление стимулов участникам предъявляли либо запахи, либо изображения. Тета- и гамма-активность в носовой полости резко возрастала только при ожидании и получении обонятельных стимулов, оставаясь на базовом уровне при работе с визуальной информацией.
3. Пространственная избирательность. Измерения проводились на нескольких контактах электрода, расположенных на разном удалении от обонятельной луковицы (общая длина зоны записи составляла 25 мм). Амплитуда гамма-колебаний падала по экспоненциальной кривой по мере удаления контакта от луковицы в переднем или заднем направлении, что указывает на локальный источник сигнала.
4. Сравнение с внутричерепными записями коры. Ученые проанализировали архивные данные инвазивного мониторинга активности медиальной орбитофронтальной коры (области мозга, находящейся непосредственно над обонятельной луковицей) у пациентов с эпилепсией. Во время выполнения аналогичных обонятельных тестов в орбитофронтальной коре не фиксировались сопоставимые по амплитуде синхронные тета- и гамма-колебания, что опровергает версию о регистрации наведенных электрических полей от вышележащих отделов мозга.
5. Контроль физических параметров вдоха. С помощью математического моделирования исследователи сопоставили параметры объема, скорости и длительности вдохов. Было установлено, что даже при полном выравнивании длительности произвольного и непроизвольного вдоха фазовая синхронизация тета-ритма возникала только при осознанном, целенаправленном принюхивании.

Общие принципы организации сенсорных систем

Сопоставление результатов двух исследований позволяет сделать выводы об общих принципах работы обоняния у млекопитающих. Физическое различие в частоте дыхания между мелкими и крупными видами не препятствует реализации единого алгоритма кодирования информации.

Обонятельная система не обрабатывает химические сигналы в непрерывном режиме. Вместо этого она делит входной поток на отдельные дискретные порции. Различаются лишь механизмы, с помощью которых достигается эта дискретизация.

Мыши, обладая высокой частотой движений, используют координацию моторных систем лап и головы с дыхательным центром. Они механически дозируют поступление запаха к рецепторам, совершая одиночные вдохи в ключевые моменты взаимодействия с физическими объектами. Этот процесс полностью контролируется вторичной двигательной корой головного мозга.

Человек, дыхательный аппарат которого слишком инертен для совершения частых физических входов, перенес этот процесс на уровень внутренней динамики нейронных сетей. Физически воздух поступает в носовую полость непрерывным медленным потоком, но на уровне обонятельной луковицы этот поток разбивается на отдельные циклы за счет генерации тета-ритма. Каждый цикл тета-колебаний создает временное окно для активации гамма-ритма, в котором и происходит кодирование информации о составе запаха.

Такой способ кодирования сближает обоняние с другими сенсорными системами. В зрительной системе непрерывное сканирование пространства невозможно из-за необходимости фиксации взгляда, поэтому мозг дробит информацию с помощью микродвижений глаз (саккад) и внутренних альфа-ритмов. В тактильной чувствительности дискретизация достигается за счет ритмических движений пальцев при ощупывании. Обоняние, как показывают новые данные, подчиняется тем же правилам дискретной обработки информации, где двигательный акт (будь то внешнее движение тела или внутреннее смещение электрического потенциала нейронов) задает структуру сенсорного восприятия.

Источник: Science Advances