Как запах управляет нашим внутренним миром. По мере того, как ученые изучают его основные элементы: молекулы запаха, попадающие в нос, и отдельные нейроны, которые преобразуют их в восприятие в мозге, появляется все более глубокое понимание человеческого обоняния.

Миллионы молекул, часто в составе сложных букетов, попадают в нос и обрабатываются нейронами, создавая обоняние, которое является глубоко эмоциональным и личным.

Когда Томас Хаммел почувствовав запах незрелого зеленого помидора, он оказывается в доме своего детства в Баварии. Под наклонным потолком спальни, которую он делил с двумя старшими братьями, стояли три кровати, простой стол и шкаф. «Моя мать ставила эти зеленые помидоры на шкаф, чтобы они дозрели», — сказал Хаммель, исследователь обоняния в университетской больнице Карла Густава Каруса в Германии. «У них очень специфический запах». Он травянистый, зеленый, острый, грубый и горький, сказал он. Когда он проходит мимо ящика с помидорами на рынке сегодня, «это всегда в какой-то степени эмоционально», сказал он, «как и любой запах эмоционален».

Запах тесно связан с эмоциональными и запоминающими центрами нашего мозга. Лавандовый парфюм может вызвать воспоминания о близком друге. Аромат дешевой водки, пережиток студенческих лет, может заставить вас поморщиться. Запах определенного стирального порошка, того самого, которым пользовались ваши бабушки и дедушки, может вызвать у вас слезы. Обоняние также является нашим самым древним чувством, которое восходит к миллиардам лет назад к первым химически чувствительным клеткам. Но ученые мало знают о нем по сравнению с другими чувствами — зрением и слухом в частности. Это отчасти потому, что обоняние не считалось критически важным для нашего выживания; людей ошибочно считали «плохо пахнущими» более века. Его также нелегко изучать. «Это очень многомерное чувство», — сказала Валентина Парма, исследователь обоняния в Центре химических чувств Монелла в Филадельфии. «Мы не знаем точно, как химические вещества преобразуются в восприятие». Но ученые добиваются прогресса в систематическом описании и количественной оценке того, что значит чувствовать запах, разбивая процесс на самые фундаментальные элементы — от молекул запаха, которые попадают в ваш нос, до отдельных нейронов, которые обрабатывают их в мозге. Несколько новых баз данных, включая недавно опубликованную в журнале Scientific Data , пытаются создать общий научный язык для восприятия молекулярных запахов — как отдельные молекулы «пахнут» для нас. А на другом конце пути исследователи недавно опубликовали исследование в Nature , описывающее, как эти молекулы запаха переводятся на нейронный язык который вызывает эмоции и воспоминания. Вместе эти усилия рисуют более богатую картину нашего самого сильного устройства для телепортации памяти. Этот взгляд с более высоким разрешением бросает вызов давнему предположению, что обоняние — наше наименее важное чувство.

Аносматический

Идея о том, что люди плохо чувствуют запахи, возникла из-за векового заблуждения.

В конце 19 века французский нейроанатом Поль Брока пытался объяснить, почему у людей есть свобода воли, а у других животных — нет, несмотря на сходство между нашими мозгами. Он указал, что у людей обонятельные луковицы — основные области мозга для анализа информации, поступающей из носа — относительно малы по сравнению с общим размером мозга. Напротив, обонятельные луковицы мышей и лошадей массивны по сравнению с остальной частью их мозга. Он пришел к выводу, что обоняние управляет поведением, особенно иррациональным поведением животных. Люди могут выбирать, реагировать ли на запахи, но могут и игнорировать их. Это привело Брока к тому, что он обозначил людей как аносматиков , или «не обоняющих», а некоторых других животных как осматиков , или «обоняющих». Он предположил, что наше господство над обонянием сделало нас высшими формами жизни. «Он сделал этот важный вывод», — сказал Джон МакГанн, исследователь обоняния в Ратгерском университете. «И он умер почти сразу после этого». Вскоре английский анатом сэр Уильям Тернер неверно перевел выводы Брока. По его мнению, Брока делал вывод о способности чувствовать запах, а не о свободной воле, предполагая, что люди — плохие обонятели, а собаки — хорошие. «В ходе серии телефонных игр люди просто повторяли одну и ту же идею: «О, людям не нужен запах», — сказала Сара Кормия, постдокторант, изучающий обоняние в Пенсильванском университете. Фрейд не помог: в своих различных размышлениях на протяжении 20-го века он также утверждал, что обоняние — это примитивное чувство, которое просто осталось от нашего древнего, животного прошлого. Он не был совсем неправ. Исследователи прослеживают обоняние млекопитающих на 3 миллиарда лет назад, к бактериям в древних океанах. Чтобы найти пищу и двигаться к ней, эти организмы обнаруживали химические градиенты. Молекулы в воде прикреплялись к белкам на клеточной мембране бактерии, вызывая внутренние сигналы, которые побуждали организм к увеличению концентрации химического вещества или от него. Эта способность, называемая хемосенсорикой, является самой рудиментарной формой обоняния, и она имеет много параллелей с обонятельными системами сложных многоклеточных животных, таких как млекопитающие.

В этом смысле обоняние — это наш древнейший интерфейс с окружающей средой, сказал Маттиас Ласка, зоолог из Университета Линчёпинга в Швеции. «Ни одна клетка не может видеть или слышать. Но отдельные клетки уже могут реагировать на химические вещества». Наше современное химическое чувство гораздо сложнее. В 1990-х годах будущие лауреаты Нобелевской премии биолог Линда Бак и Ричард Аксель открыл гены, которые кодируют обонятельные рецепторы у млекопитающих. Более поздние исследования показали, что у людей около 400 типов обонятельных рецепторов в носу, и что миллионы этих рецепторов выстилают носовые проходы. Каждый рецептор — это белок, который может распознавать и цепляться за многие виды одорантов — молекулы, которые достаточно легки, чтобы испаряться с вашей чашки кофе, мокрой травы на улице или микробов в ваших подмышках и попадать в воздух и, в свою очередь, в ваши носовые проходы.

Когда вы вдыхаете запах розы, более 800 различных одорантов попадают в ваш нос и связываются с обонятельными рецепторами, выраженными в клеточных мембранах различных нейронов, которые активизируются, чтобы создать определенный рисунок, интерпретируемый мозгом. На Земле существует 5,8 миллиона молекул, которые могли бы быть одорантами, обнаруживаемыми людьми, хотя ни у кого нет времени или средств, чтобы определить, можем ли мы почувствовать все это, сказал Ласка. Однако мы склонны недооценивать наше обоняние, потому что у нас нет словарного запаса для этого, сказал Энтони Бирлинг, который изучает обоняние в Дрезденском техническом университете. Визуально мы могли бы описать ананас как желто-зеленый фрукт, обернутый чешуйчатой ​​кожурой. Но как бы вы описали, как пахнет ананас? «Это пахнет как ананас», — сказал Хаммел. «Но мы не знаем, как описать ананас». Наши слова для обозначения запаха часто связаны с их источником — например, что-то пахнет травой, мокрой собакой или ананасом. Он добавил: «Что делает ананас ананасом?» Эта трудность описания запахов, по крайней мере, в некоторых языках, таких как английский, ограничила нашу способность изучать человеческое чувство. Несколько групп исследователей сейчас занимаются этой проблемой систематически. По словам Бирлинга, во многом загадочно, как химические структуры молекулы запаха связаны с запахом. «Единственный способ изменить это — создать данные».

Запахи отдельных молекул

Если свет имеет определенную длину волны, вы опишете то, что видите, как красный цвет. Если звук имеет определенную частоту, вы услышите фа-диез. Но не существует столь же простого способа картировать запахи, которые часто попадают в наши носы в виде букета различных молекул. Более того, этот букет может пахнуть по-разному для каждого человека в зависимости от контекста, в котором он его обоняет, и его прошлого опыта с этим запахом. «Настоящие запахи сложны и многомерны», — сказал Кормия. «Люди не очень хорошо понимают, какие особенности обонятельного стимула, например молекулы, вызывают тот или иной перцептивный опыт». Почему цветок пахнет как цветок, и что заставляет сыр пахнуть как сыр? У пахучих молекул есть много измерений, которые могут определять или влиять на их запах. Они большие или маленькие? С какими другими молекулами они взаимодействуют? Есть ли у них заряд? Даже молекулы, которые являются зеркальными отражениями друг друга, свойство, называемое хиральностью , могут пахнуть совершенно по-разному. Например, запахи сосны и цитрусовых являются противоположно направленными хиральными формами молекулы лимонена.

Несколько прошлых попыток создали базы данных молекул запаха, чтобы сопоставить каждую молекулярную форму с описанием запаха. Большинство этих исследований привлекали экспертов-носителей, таких как парфюмеры, или основывались на небольшом количестве участников. Но картирование молекул запаха требует гораздо большего и более разнообразного набора данных, включающего данные от неэкспертов-носителей, чтобы лучше отразить живую реальность крайне субъективного и контекстно-зависимого чувства. В одном исследовании, опубликованном в 2016 году, 55 здоровых людей, не являющихся экспертами, попросили понюхать более 450 веществ. Это было «огромное усилие», сказал Бирлинг, который не принимал участия. Исследователи обнаружили, как и другие до них с экспертными носами, некоторые общие химические правила. Чем больше атомов серы в молекуле, тем сильнее молекула пахнет гнилью, чесноком или рыбой. Чем больше и сложнее молекула, тем приятнее она кажется людям, которые ее воспринимают. Но исследователи также обнаружили, что разные люди могут описывать один и тот же запах совершенно по-разному.

Чем больше и сложнее молекула, тем приятнее она казалась воспринимающим ее людям.

Бирлинг и ее коллеги хотели сосредоточиться на этом открытии и создать еще более разнообразный набор данных. Они попросили более 1200 человек оценить 74 одоранта, каждый из которых состоял из одного типа молекулы. Все участники получили 10 контейнеров, каждый из которых содержал отдельный одорант с одной молекулой, и их попросили описать запах своими словами; позже они снова понюхали одоранты и оценили их с помощью заданных дескрипторов того, насколько интенсивными, приятными, раздражающими, теплыми, холодными или съедобными они были. Хотя главной целью был сбор данных, Бирлинг и ее команда провели анализ и пришли к основному выводу: «Самым важным открытием этого набора данных является понимание того, что существуют различия в обонятельном восприятии», — сказала она. Например, около 250 участников описали бензилацетат как пахнущий как жидкость для снятия лака; около 170 других сказали, что он пахнет как банан или другие фрукты. «Оба на самом деле верны», — сказала она. «На самом деле, по моему мнению, это не просто шум». Бензилацетат присутствует как в жидкости для снятия лака, так и в бананах, и «люди знакомятся с молекулой в определенном контексте», — сказала Бирлинг. «Если вы выросли в культуре, где банан — это то, что вы едите три раза в день, то это будет для вас совершенно иначе, чем если бы вы жили где-то, где вы никогда не видели бананов».

Команда Бирлинга — не единственная исследовательская группа, которая использует этот подход. Monell Chemical Senses Center в сотрудничестве с Google использовал базу данных молекул запаха для создания инструмента искусственного интеллекта, который может предсказать, как должны пахнуть молекулы. В исследовании, опубликованном в Science в 2023 году, они обнаружили, что их модель может предсказать большинство запахов, а также человек мог бы, глядя только на молекулярную структуру одорантов. Исследователи из Центра Монелла в сотрудничестве с другими также начали собирать различные наборы данных из разных видов и экспериментов в одну большую базу данных запахов под названием «Pyrfume»  https://doi.org/10.1038/s41597-024-04051-z 

Подобные усилия — «большое дело», — сказал МакГанн, не принимавший участия в исследовании. «Это действительно начинает прояснять… каково фундаментальное сопоставление структуры запаха с восприятием запаха, по крайней мере, у людей». На другом конце системы нейробиологи пытаются понять, почему мозг воспринимает запах именно так.

Мозг создает запахи

Ископаемые останки показывают, что около 500 миллионов лет назад у самых ранних позвоночных уже развились специализированные области мозга, отвечающие за обоняние. По мере того, как организмы переходили из воды на сушу, число обонятельных рецепторов увеличивалось, а также развивались вспомогательные структуры, такие как ноздри. «Мозг организован вокруг обоняния», — сказал Хаммель. «В самом начале — дыхание, а затем с дыханием появляется обоняние, а затем — остальная часть мозга». В отличие от других чувств, информация о запахах не проходит через таламус, эволюционно более позднюю область мозга, которая передает сенсорную информацию в другие части мозга для обработки. «Многое из того, что мы ощущаем, на самом деле не попадает в наше сознание», — сказал Парма. Вместо этого запах работает на подсознательном уровне, говорит Хаммел. «Он меняет ваше поведение, но таким образом, что вы этого не замечаете». Когда вы замечаете, это может быть драматично. Запах может вызвать вспышку хорошего или плохого чувства; вы даже не сможете определить, почему. И это происходит быстро: сигналы запаха передаются от носа к миндалевидному телу, эмоциональному центру мозга, и гиппокампу, его центру памяти, по короткому пути длиной всего в несколько синапсов.

«Ни одна другая сенсорная система не связана так напрямую с эмоциями и воспоминаниями, как обоняние», — сказал Ласка. «Вот почему обонятельные стимулы вызывают такие яркие воспоминания, которые могут уходить далеко в детство». Многое из того, что мы знаем о том, как мы воспринимаем запахи, получено из исследований на животных или неинвазивных исследований мозга у людей. Эти исследования на людях могли дать результаты только с низким разрешением, на уровне популяций нейронов. Недавно нейробиолог Флориан Морманн в Боннском университете и его команда получили возможность увидеть этот процесс в гораздо более высоком разрешении: активность отдельных нейронов. Эти редкие записи были сделаны на основе мозговой активности пациентов с эпилепсией, которые дали согласие на участие в эксперименте и которым уже были имплантированы электроды для предоперационного мониторинга. Команда Морманна заставила участников понюхать различные обонятельные ручки, содержащие такие запахи, как солодка и кофе, и отслеживала нейроны в областях мозга, которые, как известно, участвуют в обонянии.

Записи нейронов позволили увеличить масштаб нескольких основных областей мозга, участвующих в обработке запахов, что подтверждает выводы исследований на животных. Как только одоранты попадают в нос, они активируют нейронные пути к обонятельной луковице, которая сначала анализирует информацию. Затем сигнал передается во вторичную обонятельную кору, которая включает гиппокамп, который помогает распознавать и называть запахи. Команда обнаружила, что нейроны в грушевидной коре лучше кодируют химическую идентичность запаха, в то время как нейроны в гиппокампе лучше кодируют его воспринимаемую идентичность. В эту обонятельную сеть вовлечены и другие области мозга, включая третичную обонятельную кору, где информация интегрируется с информацией от других органов чувств.

Нейробиолог Флориан Морманн изучает, как отдельные нейроны в мозге обрабатывают информацию, например, запахи. Боннский университет

Эксперты-носы, такие как сирийский парфюмер Анас Аббас, научились определять точные ноты в запахах. Это обучение задействует как рецепторы в носу, так и нейроны в мозге. Фотобанк Xinhua/Alamy

Но, возможно, самое важное, это помогает нам обнаруживать угрозы. «Если у вас нет надлежащего обоняния… вы не почувствуете запаха, если ваш дом горит или если подгузники вашего ребенка полны. Вы не почувствуете запаха, если ваша еда испортилась», — сказал Бирлинг. Несмотря на вековое недопонимание относительно качества нашей способности чувствовать запахи, исследования все чаще показывают, что люди на самом деле чувствуют запахи довольно хорошо. «Наше человеческое обоняние сильно недооценено — не только по сравнению с собаками, но и по сравнению с мышами, крысами и другими видами, имеющими репутацию особенно чувствительных», — говорит Ласка, которая десятилетиями сравнивала обоняние разных видов. Все зависит от того, что именно вы просите нас понюхать.

Например, люди более чувствительны к определенным запахам, особенно фруктовым и цветочным, по сравнению с собаками, которые «имеют почти мифическую репутацию суперноса вселенной», — сказал Ласка. Собаки — плотоядные животные; нет никакого эволюционного давления, делающего их чувствительными к фруктовым запахам. Но они очень чувствительны к определенным жирным кислотам, например, которые составляют запах тела потенциальной добычи. «Я бы привел человека, чтобы он выбрал мне вино», — сказал МакГанн, — «но я предпочитаю собаку, чтобы она нашла труп в лесу».

Последние данные и исследования показывают, что «в обонятельной системе доступно гораздо больше структурированной информации, чем считалось ранее», — сказала Кормия. Это дает ей надежду, что мы сможем и дальше систематизировать наше понимание обоняния в форме цифрового носа. «У большинства из нас дома уже есть электронный нос в его самой грубой форме, который представляет собой детектор дыма», — сказал Бирлинг. «Это электронный нос, потому что он определяет химические вещества в вашем окружении и предупреждает вас о них». Теперь исследователи хотят сделать еще один шаг вперед. Оцифровав обоняние, они надеются создать внешнюю систему, которая могла бы обнаруживать запахи, которые могут быть не столь очевидны для людей, например, молекулы, испаряющиеся с нашей кожи, которые могут указывать на болезнь. Болезнь может изменить маркеры воспаления в организме, что может заставить вас пахнуть немного по-другому. Эти молекулы также содержат важную информацию о гормонах, питании и общем состоянии здоровья. «В этом запахе тела зашифровано многое», — сказал Бирлинг, чья команда работает над тем, чтобы понять, как воспринимаются запахи тела.

СВЯЗАННЫЙ:

---

1. Наконец-то раскрыт принцип работы обонятельного рецептора человека

2. Машинное обучение выявляет скрытый порядок в запахах

3. Впервые раскрыт секрет работы обонятельных рецепторов

Цифровой нос также может помочь людям, которые потеряли обоняние из-за старения, нейродегенеративных заболеваний или определенных состояний, таких как Covid-19. Такие устройства могли бы даже продвинуться вперед, чтобы помочь этим людям снова почувствовать запах. «Это было бы таким достижением, [помочь людям] продолжать чувствовать запахи даже в пожилом возрасте», — сказал Хаммел. Поскольку наше обоняние может быть в значительной степени подсознательным, в опросах многие люди, имея возможность потерять одно чувство, выбирают обоняние. Но «каждый день я слышу, как люди сидят в моем офисе и говорят о том, как они оторваны от мира», — сказал Хаммел. Они больше не чувствуют запаха своих детей или супругов. Они не могут обнаружить плохо пахнущую еду или опасный дым. У них больше нет доступа к определенным воспоминаниям. «Я знаю, что память есть, но у меня больше нет ключа, чтобы открыть [ее], — сказал Хаммел. — Жизнь становится гораздо более небезопасным местом без обоняния во многих отношениях, но ты понимаешь это только тогда, когда его больше нет».

источник:

• https://www.quantamagazine.org/
• https://www.quantamagazine.org/how-smell-guides-our-inner-world-20250703/

фото: Майкл Варакса для  журнала Quanta Magazine НЕЙРОНАУКА