Как нос различает смеси запахов: 3D-видео раскрывают механизм

Ежедневно нас окружают запахи. Они могут вызывать воспоминания или быстро предупреждать о испорченной еде. Но как мозг идентифицирует столько разных запахов? И насколько легко мы можем распутать компоненты смеси? В новом исследовании на мышах, опубликованном в Science, учёные из Колумбийского университета сделали важный шаг к ответу, и секрет кроется внутри носа.

«Запахи, которые мы встречаем каждый день — от мусора до одеколона — состоят из сотен или даже тысяч отдельных молекул», — говорит профессор биологических наук Стюарт Фаерстайн, соавтор исследования. «Ваша утренняя чашка кофе может содержать более 800 различных типов одорантов. Хотя многое известно о том, как нос и мозг совместно идентифицируют отдельные запахи, учёные долго не могли объяснить, как эта система работает со смесями».

Используя передовой метод 3D-визуализации SCAPE-микроскопию, команда отследила, как тысячи разных клеток в носу мыши реагируют на отдельные запахи и их смеси. Они обнаружили, что информация, которую нос отправляет в мозг о смеси запахов, — больше, чем простая сумма её частей.

Обонятельные клетки носа имеют множество разных сенсоров (рецепторов); у человека, например, до 400 типов таких рецепторов. Для чистого, единичного запаха активируются только клетки, чьи рецепторы к нему чувствительны, отправляя в мозг код, который он идентифицирует как этот запах. Но для сложных смесей этот код становится слишком сложным для интерпретации.

Исследователи ожидали, что реакция клеток на смесь будет эквивалентна сумме реакций на отдельные компоненты. Однако они обнаружили, что в некоторых случаях один запах может «выключать» реакцию клетки на другой запах в смеси, а в других — первый запах может усиливать реакцию на второй.

Хотя мы часто воспринимаем один запах как доминирующий, ранее считалось, что такая обработка происходит в мозге. Эти результаты показывают, что сигналы, отправляемые в мозг, формируются такими взаимодействиями уже в носу.

Данные команды поставили под сомнение традиционный взгляд, что мозг распознаёт смесь, определяя все её отдельные компоненты. Они подтвердили то, что парфюмеры давно знают: комбинация разных запахов может создать уникальное ощущение, по сути становясь совершенно новым запахом, который даёт иной опыт.

«Мы были поражены, обнаружив, что эти изменения в коде происходят в носу, ещё до того, как сигналы попадают в мозг», — сказал аспирант Лу Сюй, соавтор исследования. «Мы считаем, что такие эффекты помогают нам обнаруживать и идентифицировать гораздо более широкий спектр запахов и смесей, чем мог бы передать простой аддитивный код».

Чтобы раскрыть эту внутреннюю работу обонятельной системы, исследователи использовали SCAPE-микроскопию — метод, разработанный Элизабет Хиллман, соавтором статьи. SCAPE создаёт высокоскоростные 3D-изображения живых тканей в реальном времени, «сканируя» их наклонным световым слоем.

Лаборатории Фаерстайна и Хиллман адаптировали SCAPE для визуализации тканей в носу мышей. Они исследовали нейрональные клетки, помеченные флуоресцентным маркером, который вспыхивал при активации клетки. Затем ткани подвергали воздействию различных комбинаций запахов: одной с древесным букетом и другой — смесью миндального, цветочного и цитрусового ароматов.

«SCAPE позволил нам одновременно анализировать активность десятков тысяч отдельных клеток в течение длительного времени», — сказал доктор Вензе Ли, соавтор исследования. «Обычные микроскопы позволяли снимать лишь несколько сотен клеток в тонком слое и ненадолго. SCAPE позволил визуализировать гораздо больше клеток в неповреждённых 3D-структурах носа, не повреждая ткань. Это позволило отслеживать реакцию каждой клетки на длинную серию разных комбинаций запахов».

Для обработки огромного объёма данных (более 300 ГБ на образец ткани) команде пришлось создать собственный мощный сервер и использовать алгоритмы, разработанные отделом статистики Колумбийского университета и Фондом Саймонса.

Почти двадцать лет экспертам по запахам известно, что одни ароматы могут маскировать или даже усиливать другие. Данное исследование раскрыло потенциальный механизм этого явления.

«Наши результаты показали, что молекулы запаха могут как активировать, так и деактивировать рецепторы, маскируя другие запахи не за счёт их подавления, а изменяя реакцию клеток на них», — сказала доктор Хиллман. «Эти находки могут быть очень полезны, например, для создания более эффективных освежителей воздуха, которые действительно блокируют нежелательные запахи».

«Эти результаты также удивительны, потому что мы не ожидали, что рецептор такого типа можно так усиливать или подавлять», — добавил доктор Фаерстайн. «Возможность изменить реакцию рецептора на одно вещество очень важна для разработки лекарств. Наши исследования в носу проливают новый свет на возможные способы модуляции реакции других типов клеток, которые могут быть вовлечены в болезни».

«Это исследование стало настоящим союзом экспертизы двух лабораторий, передовой микроскопии и анализа больших данных», — добавила доктор Хиллман. Она отмечает, что финансирование и поддержка инициативы NIH BRAIN сделали эту параллельную научно-технологическую работу возможной. «Мы обнаружили то, что было почти невозможно увидеть раньше, потому что у нас появился новый способ это увидеть».

Статья озаглавлена: «Широко распространённая модуляция, управляемая рецепторами, в периферическом обонятельном кодировании».