Обнюхивать запах: как мозг организует информацию об запахах

Премьера фильма «Запах тайны» в 1960 году ознаменовала собой особенное событие в анналах кинематографа: первый и последний дебют в кинофильме «В великолепном Smell-O-Vision». В надежде удивить зрителей динамичным обонятельным опытом наряду с привычными зрительными и звуковыми эффектами, некоторые театры были оснащены устройством Rube Goldberg-esque, которое доставляло различные ароматы прямо на места.

Зрители и критики быстро пришли к выводу, что опыт вонючий. Smell-O-Vision, чреватый техническими проблемами, был подвергнут резкой критике и стал кляпом, занимающим уникальное место в истории развлечений. Однако провал Smell-O-Vision не смог удержать предпринимателей от продолжения погони за мечтой о доставке запахов потребителям, особенно в последние годы, с помощью технологий цифрового запаха.

Такие усилия породили заголовки новостей, но скудный успех, отчасти из-за ограниченного понимания того, как мозг переводит химию запаха в восприятие запаха — феномен, который во многих отношениях остается непрозрачным для ученых.

Исследование, проведенное нейробиологами в Гарвардской медицинской школе, теперь дает новое понимание тайны аромата. Сообщая в журнале Nature 1 июля, исследователи впервые описывают, как взаимосвязи между различными запахами кодируются в обонятельной коре, области мозга, ответственной за обработку запаха.

Предоставляя запахи с тщательно отобранными молекулярными структурами и анализируя нейронную активность у бодрствующих мышей, команда показала, что нейрональные представления об запахе в коре отражают химическое сходство между запахами, что позволяет мозгу распределять запахи по категориям. Кроме того, эти представления могут быть связаны с сенсорным опытом.

Полученные данные свидетельствуют о нейробиологическом механизме, который может объяснить, почему люди имеют общий, но очень персонализированный опыт с запахом.

«У всех нас есть общая система взглядов на запахи. Мы с тобой оба 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, «сказал старший автор исследования Сандип Роберт Датта, доцент нейробиологии в Институте Блаватник в HMS.

Результаты открывают новые возможности для изучения, чтобы лучше понять, как мозг преобразует информацию о химии запаха в восприятие запаха.

«Это первая демонстрация того, как обонятельная кора кодирует информацию о том, за что она ответственна, а именно о химии запаха, фундаментальных сенсорных сигналах обоняния», — сказал Датта.

Вычислительный запах

Обоняние позволяет животным определить химическую природу окружающего их мира. Сенсорные нейроны в носу обнаруживают молекулы запаха и передают сигналы обонятельной луковице, структуре в переднем мозге, где происходит первоначальная обработка запаха. Обонятельная луковица в основном передает информацию в грушевидную кору, основную структуру обонятельной коры, для более полной обработки.

В отличие от света или звука, стимулы, которые легко контролируются с помощью подстройки характеристик, таких как частота и длина волны, трудно исследовать, как мозг строит нейронные представления малых молекул, которые передают запах. Часто тонкие химические изменения — несколько атомов углерода здесь или атомов кислорода — могут привести к значительным различиям в восприятии запаха.

Датта вместе с первым автором исследования Стэном Пашковским, научным сотрудником по нейробиологии в HMS, и коллегами подошли к этой проблеме, сосредоточившись на вопросе о том, как мозг идентифицирует связанные, но отличные запахи.

«Тот факт, что мы все думаем, что запах лимона и лайма похожи, означает, что их химический состав должен каким-то образом вызывать схожие или связанные нейронные представления в нашем мозге», — сказал Датта.

Чтобы исследовать, исследователи разработали подход для количественного сравнения химикатов запаха, аналогичный тому, как, например, различия в длине волны могут использоваться для количественного сравнения цветов света.

Они использовали машинное обучение, чтобы посмотреть на тысячи химических структур, которые, как известно, имеют запахи, и проанализировали тысячи различных характеристик для каждой структуры, таких как количество атомов, молекулярный вес, электрохимические свойства и многое другое. Вместе эти данные позволили исследователям систематически вычислять, насколько похож или различен какой-либо запах по сравнению с другим.

Из этой библиотеки команда разработала три набора запахов: набор с большим разнообразием; один с промежуточным разнообразием, с запахами, разделенными на связанные группы; и одно из низкого разнообразия, где структуры изменяются только путем постепенного увеличения длины углеродной цепи.

Затем они подвергали мышей различным комбинациям запахов из разных наборов и использовали многофотонную микроскопию, чтобы отобразить закономерности нейронной активности в грушевидной коре и обонятельной луковице.

Прогноз запаха

Эксперименты показали, что сходство в химии запаха было отражено сходством в нейронной активности. Связанные запахи производили коррелированные нейронные паттерны как в грушевидной коре, так и в обонятельной луковице, что измерялось по частоте совпадений в активности нейронов. Слабо связанные запахи, напротив, вызывали слабо связанные паттерны активности.

В коре связанные запахи привели к более сильно сгруппированным паттернам нервной активности по сравнению с паттернами в обонятельной луковице. Это наблюдение справедливо для отдельных мышей. Корковые представления о запахах были настолько хорошо коррелированы, что их можно было использовать для предсказания идентичности сохраняющегося запаха у одной мыши на основе измерений, выполненных на другой мыши.

Дополнительный анализ выявил разнообразные химические особенности, такие как молекулярный вес и определенные электрохимические свойства, которые были связаны с характером нейронной активности. Информация, полученная из этих признаков, была достаточно надежной, чтобы предсказать корковые реакции на запах у одного животного на основе экспериментов с отдельным набором запахов у другого животного.

Исследователи также обнаружили, что эти нейронные представления были гибкими. Мышам неоднократно давали смесь двух запахов, и со временем соответствующие нейронные паттерны этих запахов в коре стали более сильно коррелированными. Это произошло даже тогда, когда два запаха имели различную химическую структуру.

Способность коры приспосабливаться была частично создана сетями нейронов, которые избирательно изменяют отношения запаха. Когда нормальная активность этих сетей была заблокирована, закодированная кора больше пахнет как обонятельная луковица.

«Мы представили два запаха, как если бы они были из одного источника, и заметили, что мозг может перестраиваться, отражая пассивные обонятельные переживания», — сказал Датта.

Он добавил, что отчасти причина, по которой такие вещи, как лимон и лайм, пахнут одинаково, вероятно потому, что животные одного и того же вида имеют похожие геномы и, следовательно, сходство в восприятии запаха. Но у каждого человека есть индивидуальное восприятие.

«Пластичность коры может помочь объяснить, почему запах, с одной стороны, инвариантен между людьми и все же настраивается в зависимости от нашего уникального опыта», — сказал Датта.

Вместе результаты исследования впервые демонстрируют, как мозг кодирует отношения между запахами. По сравнению с относительно хорошо понятыми зрительными и слуховыми кортикальными слоями все еще неясно, как обонятельная кора преобразует информацию о химии запаха в восприятие обоняния.

По словам авторов, выявление того, как обонятельная кора отображает подобные запахи, теперь дает новое понимание, которое информирует о попытках понять и потенциально контролировать обоняние.

«Мы еще не до конца понимаем, как химические вещества переводят на восприятие», — сказала Датта. «Там нет компьютерного алгоритма или машины, которая будет принимать химическую структуру и сообщать нам, как пахнет это химическое вещество».

«Чтобы на самом деле построить эту машину и когда-нибудь создать контролируемый виртуальный обонятельный мир для человека, нам нужно понять, как мозг кодирует информацию о запахах», — сказал Датта. «Мы надеемся, что наши выводы станут шагом на этом пути».

Дополнительные авторы исследования включают Джулиано Юрилли, Дэвида Бранна, Дэниела Чичарро, Кристен Драмми, Кевина Фрэнкса и Стефано Панцери.

Исследование было поддержано Фондом Валли, Национальными институтами здравоохранения (RO11DC016222, U19NS112953) и Коллективом Саймонса в области глобального мозга.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Гарвардской медицинской школой . Оригинал, написанный Кевином Цзянем. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Стэн Л. Пашковски, Джулиано Юрилли, Дэвид Бранн, Даниэль Чичарро, Кристен Драмми, Кевин Фрэнкс, Стефано Панцери, Сандип Роберт Датта. Структура и гибкость в корковых представлениях пространства запаха . Природа , 2020; DOI: 10.1038 / s41586-020-2451-1