Впервые созданная «карта запахов» восполняет недостающие детали работы обоняния

Фото из открытых источников

Обоняние — одно из тех чувств, о которых большинство людей почти не задумываются, пока оно не исчезнет. Оно служит важным сигналом, предупреждающим о дыме, испорченной пище и других опасностях, представляющих непосредственную угрозу.

Наше обоняние также влияет на вкус, пробуждает воспоминания и может изменить настроение в течение всего момента. Однако, несмотря на то, что носовая полость так тесно связана с повседневной жизнью, ученые долгое время удивительно мало понимали, как она устроена внутри носа. Теперь новое исследование разгадывает важную часть этой загадки. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell.

В ходе исследований на мышах ученые создали первую подробную карту обонятельных рецепторов в носу.  Данное исследование опровергает давно устоявшееся мнение о том, что система была в основном неупорядоченной. Вместо этого команда обнаружила, что обонятельные рецепторы расположены очень упорядоченным образом, образуя горизонтальные полосы от верхней части носа до нижней. 

Исследование, проведенное под руководством профессора Сандипа Датты в Институте Блаватника при Гарвардской медицинской школе, закладывает основу для будущих методов лечения потери обоняния – проблемы, с которой медицина до сих пор испытывает трудности.

Ученые давно располагают сенсорными картами в других частях тела. Нам многое известно о том, как расположены рецепторы в глазу для обработки зрительной информации, как ухо воспринимает звук и как кожа реагирует на прикосновение. 

Эксперты также выяснили, как эти сенсорные карты связаны с соответствующими системами в мозге. Но обоняние до сих пор было исключением. Этот разрыв сохраняется уже много лет, отчасти потому, что обоняние — гораздо более сложная система, чем остальные.

У мышей около 20 миллионов обонятельных нейронов и более тысячи различных типов обонятельных рецепторов. Для сравнения, цветовое зрение в основном зависит всего от трех типов зрительных рецепторов.

Каждый обонятельный рецептор обнаруживает свой собственный набор молекул запаха, что значительно усложняет всю систему. Впервые типы обонятельных рецепторов были идентифицированы учеными в 1991 году. В течение десятилетий после этого они продолжали искать четкую карту этих рецепторов в носу. 

Результаты оказались разочаровывающими, поскольку рецепторы, по-видимому, были сгруппированы лишь в несколько широких зон. Это привело к господствующему мнению о том, что экспрессия обонятельных рецепторов в значительной степени случайна, и что обоняние просто работает иначе, чем другие органы чувств.

Микроскопическое изображение поперечного среза носа мыши. Мышь была генетически модифицирована для экспрессии зеленого флуоресцентного белка в обонятельных нейронах. По мере того, как генетические инструменты становились все более мощными, команда решила вернуться к этому вопросу с гораздо большей детализацией, чем это было возможно ранее.

В новом исследовании ученые объединили секвенирование отдельных клеток и пространственную транскриптомику для изучения около 5,5 миллионов нейронов от более чем 300 мышей. Один метод показал, какие обонятельные рецепторы экспрессируют отдельные нейроны . Другой показал, где именно эти нейроны расположены в носу.

«Сейчас это, пожалуй, самая тщательно секвенированная нервная ткань из когда-либо существовавших, но нам был необходим такой масштаб данных, чтобы понять эту систему», — сказал Датта.

Исследователи обнаружили, что произошедшее вовсе не было случайностью. Нейроны образовывали плотно организованные, перекрывающиеся горизонтальные полосы, идущие от верхней части носа к нижней, в зависимости от того, какой рецептор они экспрессировали. 

Полученные результаты были одинаковыми у всех мышей. Еще более поразительным было то, что расположение этих структур в носу отражало карты запахов, уже известные в обонятельной луковице головного мозга. Этот сдвиг может показаться техническим, но он полностью меняет представление исследователей о чувстве обоняния.

«Наши результаты вносят порядок в систему, которая ранее считалась неупорядоченной, что меняет наше концептуальное представление о том, как она работает», — сказал Датта.

Исследование приближает восприятие запахов к восприятию зрения, слуха и осязания, которые основаны на упорядоченных картах рецепторов, помогающих мозгу эффективно сортировать поступающую информацию. Если обоняние оказывает аналогичное воздействие, то это может оказаться не таким уж странным исключением, каким казалось раньше.

Исследователи не ограничились описанием карты. Они также хотели узнать, как организм её формирует. Их работа указывает на ретиноевую кислоту как на ключевой элемент ответа. Эта молекула помогает регулировать активность генов, и в носу она, по-видимому, образует градиент, который помогает направлять нейроны к нужному типу рецепторов в зависимости от их местоположения.

Иными словами, положение нейрона в носу помогает определить, к какому обонятельному рецептору он будет подключен. Когда исследователи увеличивали или уменьшали количество ретиноевой кислоты, карта рецепторов смещалась вверх или вниз. Это дало им гораздо более четкое представление о том, что это активно формирующаяся структура.

«Мы показали, что в процессе развития можно достичь такого результата, как организация тысячи различных обонятельных рецепторов в невероятно точную карту, которая остается неизменной у разных животных», — говорит Датта.

Потеря обоняния может оказать удивительно глубокое влияние на жизнь человека. Она может снизить удовольствие от еды, уменьшить сигналы тревоги из окружающей среды и повысить риск развития депрессии.

Пандемия COVID-19 также заставила многих людей осознать, насколько разрушительной может быть потеря обоняния. Сам Датта изучал потерю обоняния при COVID-19. Этот опыт помогает объяснить, почему новая карта так важна.

«Мы не сможем избавиться от запахов, не понимая, как они работают на базовом уровне», — сказал он.

Сейчас команда изучает, почему полосы рецепторов располагаются именно в таком порядке. Они также исследуют ткани человека, чтобы выяснить, насколько схожа эта карта у разных видов. Эта работа в конечном итоге может помочь в разработке методов лечения, включая терапию стволовыми клетками или даже интерфейсы «мозг-компьютер» для людей, потерявших обоняние.

«Запах оказывает действительно глубокое и всеобъемлющее воздействие на здоровье человека, поэтому его восстановление необходимо не только для удовольствия и безопасности, но и для психологического благополучия», — сказал Датта. «Без понимания этой карты мы обречены на провал в разработке новых методов лечения».