Отдельные нейронные цепи распознают приятные и неприятные запахи

Команда под руководством из Центра исследований мозга RIKEN в Японии выяснила, как животные различают приятные и неприятные запахи – способность, тесно связанную с восприятием вкуса пищи. Ученые обнаружили, что эти ощущения обрабатываются разными нейронными цепями мозга и не являются просто противоположными сигналами. Результаты работы опубликованы в журнале Cell.

Обоняние – одно из самых древних чувств, возникшее еще у водных позвоночных и основанное на работе химических рецепторов. У млекопитающих молекулы из воздуха попадают в нос, где взаимодействуют с рецепторами на обонятельных нейронах, передающих сигналы в мозг. Поскольку в воздухе присутствует огромное количество разных молекул, а запахи обычно представляют собой их сложные комбинации, эволюция не пошла по пути "один запах – один рецептор". Вместо этого каждый аромат кодируется множеством пересекающихся нейронных сигналов, распределенных по разным участкам мозга, что значительно усложняет понимание механизма распознавания запахов.

В таких случаях ученые нередко обращаются к животным моделям, где нервные системы устроены проще, но работают по схожим принципам. Команда выбрала для исследования плодовую мушку, обонятельную систему которой можно детально изучить – вплоть до отдельных нейронов и их соединений. Однако даже у мушки это тысячи нейронов и сотни тысяч связей, что делает задачу крайне сложной. Чтобы справиться с этим, исследователи создали метод, позволяющий регистрировать активность всех нейронов в разных областях мозга мушки, сочетая двухфотонную микроскопию с оптогенетической маркировкой клеток. Кроме того, они построили сетевую модель, воспроизводящую работу этих нейронов на основе коннектома – карты всех связей между ними. Это позволило глубже понять, как устроены нейронные схемы, отвечающие за обработку запахов.

Ученые выяснили, что нейроны в области мозга, называемой боковым рогом, отвечают за врожденное восприятие запахов как приятных или неприятных. Согласно модели, неприятные запахи вызывают прямое возбуждение этих нейронов, тогда как приятные – формируются за счет дополнительного локального торможения. Неожиданным открытием стало то, что оценка приятных и неприятных запахов происходит в разных нейронных цепях, которые не только физически разделены, но и имеют разные типы связей. Иными словами, в мозге "приятное" не является просто обратной стороной "неприятного" – это отдельный процесс обработки информации.

Ученые применили оптогенетику, чтобы проверить предсказания своей модели. Этот метод позволяет точно активировать или блокировать отдельные нейроны. Так, когда модель прогнозировала, что подавление определенной локальной цепи приведет к тому, что мушки перестанут воспринимать обычно приятный запах как любимый, эксперимент подтвердил это предсказание.