Исследователи под руководством Хокто Казамы из Центра изучения мозга (CBS) RIKEN в Японии выяснили, как животные определяют, что запах приятный или неприятный. Это одна из способностей, которая позволяет нам наслаждаться вкусом еды. Исследование показало, что эти ощущения формируются отдельными нейронными цепями в мозге, но на самом деле они не противоположны друг другу. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Cell.
Обоняние — одно из древнейших чувств, берущее начало в химических рецепторах древних водных позвоночных. У млекопитающих молекулы, содержащиеся в воздухе, попадают в нос и в конечном счёте взаимодействуют с рецепторами на обонятельных нейронах, которые затем посылают сигналы в мозг. Поскольку в воздухе содержится бесчисленное множество молекул, а запахи часто состоят из комбинаций молекул, простая система с одним рецептором для каждого запаха не могла возникнуть в ходе эволюции. Вместо этого запахи кодируются тысячами перекрывающихся нейронов, распределённых по всему мозгу, что сильно затрудняет понимание того, как мы оцениваем запахи.
В подобных ситуациях учёные часто обращаются к животному миру в поисках менее сложных систем, которые при этом работают примерно так же. Казама и его команда сосредоточили исследования на обонятельной системе плодовой мушки, у которой можно идентифицировать каждый обонятельный нейрон и его связи. Тем не менее это тысячи нейронов и сотни тысяч связей. Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи разработали метод регистрации активности всех нейронов в каждой области мозга плодовой мушки с помощью двухфотонной микроскопии и оптогенетической маркировки клеток. Они также создали сетевую модель, которая воспроизводит активность нейронов на основе коннектома — связей между всеми нейронами в мозге. Это помогло понять принципы работы мозга.
Было обнаружено, что нейроны в области мозга, называемой латеральным коленчатым телом, отвечают за врождённую гедонистическую оценку запахов, приятных или неприятных. Модель предсказывала, что неприятные запахи будут представлены прямым возбуждением нейронов в латеральном коленчатом теле, а приятные — дополнительным локальным торможением. Самым неожиданным результатом стало то, что приятность и неприятность запахов вычисляются в контурах, которые не только отделены друг от друга, но и имеют разные паттерны связей. Это означает, что с точки зрения контура «хорошо» — это не просто противоположность «плохо».
Исследователи использовали оптогенетическую установку для проверки прогнозов модели, поскольку оптогенетика позволяет учёным точно возбуждать или подавлять отдельные нейроны по выбору. Например, когда модель предсказала, что подавление определённой локальной цепи приведёт к тому, что мухам не понравится запах, который они обычно считают приятным, именно это и произошло.
Поскольку обонятельная система у разных животных устроена похоже, эта работа помогает лучше понять работу человеческого мозга. По словам Казамы, «внедрив обнаруженные механизмы в компактный мозг мухи, мы сможем разработать более эффективные алгоритмы, а также высокопроизводительный искусственный интеллект, вдохновлённый работой мозга».
Действительно, разработка сетевой модели на основе коннектома — это шаг к созданию цифрового двойника мозга, который будет полезен для прогнозирования результатов работы системы в различных условиях.
[Фото: RIKEN / Hokto Kazama]
