Японские ученые под руководством Хокто Казамы из Центра изучения мозга (CBS) RIKEN провели исследование выяснили, как животные различают приятные и неприятные запахи – вопрос, имеющий прямое отношение к нашему восприятию вкуса. Научные изыскания продемонстрировали, что эти ощущения создаются специализированными нейронными сетями в головном мозге, однако они не являются взаимоисключающими. Полученные данные свидетельствуют опубликованы в научном журнале Cell.
Обоняние — одно из самых древних чувств, корни которого уходят в химические рецепторы древних водных позвоночных. У млекопитающих молекулы, присутствующие в воздухе, проникают в носовую полость и, в конечном итоге, взаимодействуют с рецепторами на обонятельных нейронах, которые затем передают сигналы в мозг. Ввиду того, что воздух содержит огромное количество молекул, а запахи нередко представляют собой комбинации из нескольких молекул, простая система, основанная на одном рецепторе для каждого запаха, не могла сформироваться в процессе эволюции. Вместо этого запахи кодируются тысячами перекрывающихся нейронов, расположенных по всему мозгу, что существенно усложняет понимание того, как мы воспринимаем ароматы.
В подобных обстоятельствах исследователи нередко обращаются к животному миру в поисках более простых моделей, которые функционируют схожим образом. Казама и его коллеги направили свои исследования на обонятельную систему плодовой мушки, где возможно идентифицировать каждый обонятельный нейрон и его связи. Однако это включает в себя тысячи нейронов и сотни тысяч соединений. Для решения этой задачи ученые разработали способ регистрации активности всех нейронов в каждом участке мозга плодовой мушки с использованием двухфотонной микроскопии и оптогенетической маркировки клеток. Также была создана сетевая модель, которая имитирует активность нейронов, основываясь на коннектоме — совокупности связей между всеми нейронами в мозге. Это позволило выявить принципы, лежащие в основе работы мозга.
Анализ показал, что нейроны, расположенные в латеральном коленчатом теле мозга, участвуют в формировании врожденной оценки запахов, как приятных, так и неприятных. Согласно модели, неприятные запахи вызывают прямое возбуждение нейронов в этой области, а приятные – местное подавление активности. Наиболее удивительным оказалось то, что вычисление приятности и неприятности запахов происходит в отдельных контурах, имеющих различные структуры связей. Это говорит о том, что ощущение «хорошо» не является простой противоположностью ощущению «плохо».
Для проверки предсказаний модели исследователи применили оптогенетическую методику, которая даёт возможность точно включать или выключать активность выбранных нейронов. Так, когда модель спрогнозировала, что блокирование конкретной локальной нейронной сети сделает запах неприятным для мух, которые обычно воспринимают его как привлекательный, эксперимент подтвердил этот результат.
Схожесть строения обонятельной системы у различных видов животных позволяет глубже изучить функционирование человеческого мозга. Как отмечает Казама, внедрение выявленных механизмов в относительно небольшой мозг мухи может способствовать созданию более эффективных алгоритмов и разработке высокопроизводительного искусственного интеллекта, основанного на принципах работы мозга».
Безусловно, создание сетевой модели, основанной на коннектоме, является важным этапом в разработке цифрового двойника мозга, что позволит прогнозировать эффективность его функционирования в разнообразных ситуациях.
[Фото: RIKEN / Hokto Kazama]