Ученые обнаружили скрытый в мозге механизм, отвечающий за обоняние

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили, что обонятельная луковица человека — первая часть мозга, отвечающая за обоняние, — каждый раз, когда человек вдыхает воздух, вырабатывает собственный устойчивый ритм. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Один-единственный вдох включает этот ритм и фиксирует его в тот самый момент, когда воздух попадает в нос. Это открытие дает ответ на загадку, которая десятилетиями не давала покоя науке об обонянии. 

Большинство млекопитающих обоняют быстрыми импульсами, и этот быстрый ритм задает темп восприятия запаха мозгом. Люди делают один долгий, медленный вдох, но при этом ощущают запахи с той же скоростью – и этот скрытый ритм, по-видимому, объясняет, как это происходит.

Для большинства животных обоняние подразумевает многократное обнюхивание быстрыми импульсами. Крыса может обнюхивать от пяти до десяти раз в секунду. Каждый вдох посылает новую волну запаха в нос, а мозг считывает её в чётких, повторяющихся циклах.

Десятилетия исследований на животных привели к выводу, что обоняние является «часовыми часами». В одном исследовании на мышах было обнаружено, что обонятельные реакции в обонятельной луковице синхронизировались с каждым вдохом с временным сдвигом всего в несколько тысячных долей секунды. Вдох сообщал мозгу, когда нужно прислушаться.

Люди нарушают эту закономерность. Когда люди чувствуют запахи, они обычно делают один медленный вдох, длящийся от трех до пяти секунд, а не серию быстрых вдохов. Этот пробел обеспокоил Кристину Зелано, нейробиолога из Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета, и ее команду.

Если обоняние — это часы, то медленное человеческое обоняние должно приводить к медленному, грубому восприятию запахов. Человеческое обоняние работает гораздо быстрее.

«Самое удивительное то, что, несмотря на существенные различия между людьми и грызунами, у них удивительно схожий способ обоняния», — сказал соавтор исследования Эндрю Шериф из Северо-Западного университета.

Чтобы услышать обонятельную луковицу напрямую, команда ввела тонкий электрод в нос каждого добровольца. Он прилегал к нёбу, примерно в двадцати пятых дюйма от самой луковицы.

В эксперименте приняли участие шесть здоровых добровольцев, каждый из которых по команде ощущал запахи, а электрод отслеживал электрическую активность лампочки. В исходных записях отчетливо прослеживались два ритма. Медленные тета-колебания повторялись несколько раз в секунду, а поверх них накладывались гораздо более быстрые гамма-всплески.

«Было очень интересно увидеть четкие, прекрасные данные об колебаниях, полученные из обонятельной луковицы, и мы считаем это прорывом в изучении человеческого обоняния», — сказал Шериф. 

Несколько проверок подтвердили, что сигнал исходил от луковицы мозга, а не из других его областей. У добровольца с аносмией — пожизненной потерей обоняния, у которого полностью отсутствовали обонятельные луковицы, — подобных реакций не наблюдалось. Запахи вызывали более сильную активность, чем сопоставление изображений, и ритмы ослабевали по мере удаления электрода от лампочки.

Далее последовало ключевое сравнение, в котором были разделены два способа вдыхания воздуха через нос. Они сопоставили целенаправленный вдох с тихим, пассивным дыханием. Намеренный вдох вызывал всплеск тета-ритма, который затем сбрасывался, так что каждый последующий вдох начинался с одной и той же точки в своем цикле.

Ничего подобного не происходило во время пассивного дыхания. Ритм оставался ровным и неровным, даже когда пассивный вдох был таким же обильным, как и настоящий вдох. По всей видимости, эффект был обусловлен скорее намерением почувствовать запах, чем потоком воздуха.

Эта закономерность наблюдалась у всех шести добровольцев, хотя точная частота тета-ритма различалась от человека к человеку. Более глубокие вдохи вызывали более мощные тета-волны, поэтому сила дыхания и сила ритма возрастали одновременно.

До этого исследования никто не показывал, что обонятельная луковица человека вообще имеет тета-ритм, не говоря уже о том, что он связан с одним-единственным вдохом. Это был недостающий элемент. 

Отдельное исследование уже показало, что люди могут различать запахи, возникающие с интервалом всего в 60 миллисекунд, что указывает на то, насколько быстрым может быть этот ритм.

Один лишь ритм мало что значит без чего-то, что его организует. Вес обусловлен более быстрыми гамма-всплесками, которые появляются при наличии запаха и передают реакцию луковицы на запах. Исследователи обнаружили, что гамма-всплески происходили не случайным образом. Они группировались в одной точке каждого тета-цикла, находясь в нижней части волны.

Медленный ритм, по-видимому, задавал темп быстрым импульсам, которые считывали запах. Такое расположение перекликается с результатами исследований, проведенных в более глубоких отделах мозга.

В более раннем исследовании грушевидной коры головного мозга человека, области обоняния, расположенной сразу за обонятельной луковицей, было обнаружено, что тета-ритмы передают информацию, специфичную для запаха, в течение долей секунды после вдоха. Медленный ритм, синхронизированный с более быстрыми сигналами, теперь выглядит как общая черта всей обонятельной системы.

Данное исследование оставляет в этой области конкретные основания для дальнейших исследований. Даже без быстрого обнюхивания, характерного для других млекопитающих, обонятельная луковица человека сохраняет тот же ритм – он генерируется каждым отдельным обнюхиванием, а не быстрой последовательностью вдохов и выдохов.

Следующий вопрос — происхождение ритма, и команда пока не смогла его точно определить. При целенаправленном вдыхании запах может опускаться из высших отделов мозга, а может подниматься непосредственно из носа, когда воздух, проходящий мимо складок носовой полости, создает быстрый пульсирующий ритм.

Помимо биологических аспектов, работающие руки, благодаря своему обонянию, позволяют исследовать ритм, который можно измерить внутри живой человеческой луковицы. Этот сигнал в некотором смысле связан с вирусными инфекциями и ранними стадиями некоторых заболеваний головного мозга, что открывает перед учеными новое направление исследований.

Ранняя потеря обоняния уже является признаком болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, и Шериф считает, что эта закономерность будет распространяться и на другие стадии.

«Аналогично, при таких состояниях, как аутизм, при которых, как было показано, поведение, связанное с обонянием, отличается, может наблюдаться обонятельный мозговой сигнатурный признак этого состояния», - говорят ученые.

Для области, где долгое время запах рассматривался как своего рода таймер, данное исследование устанавливает под ним второй таймер. Тета-ритм теперь представляет собой самостоятельную единицу обоняния, медленный ритм, который выполняет быструю работу по распознаванию запахов.