Энн-Софи Барвич

Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

ПОСВЯЩАЕТСЯ моей матери

Когда я была маленькой, она читала мне не сказки, а Гёте

Запах – это единственное чувство, для которого мы можем создавать новые стимулы, никогда не существовавшие ранее, и воспринимать их.

Линда Бартощук

Smellosophy: What the Nose Tells the Mind by A.S. Barwich

Copyright © 2020 by the President and Fellows of Harvard College

All rights reserved.

Published by arrangement with Harvard University Press via Igor Korzhenevskiy of Alexander Korzhenevski Agency

В оформлении обложки использована иллюстрация: Plasteed / Shutterstock / FOTODOM

Используется по лицензии от Shutterstock / FOTODOM

© Мосолова Т.П., перевод на русский язык, 2024

© Дизайн обложки. Л. Садовничий, 2024

© ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Предисловие

Обоняние – Золушка среди наших чувств. Исторически у него сложилась поразительно скверная репутация. Считалось, что обоняние передает лишь субъективные и примитивные ощущения, и поэтому оно не привлекало серьезного внимания мыслителей и ученых. Французский философ эпохи Просвещения Этьенн Бонно де Кондильяк в 1754 году заметил: «из всех чувств оно, кажется, меньше всего способствует познанию человеческого духа[1]»[2]. А столп философии Иммануил Кант с прусской точностью рассуждал следующим образом:

Какое внешнее чувство самое неблагодарное, без которого, как нам кажется, легче всего обойтись? – Обоняние. Не стоит культивировать или тем более изощрять его ради наслаждений, ведь предметов, возбуждающих (особенно в густонаселенных местностях) отвращение, больше, чем предметов, доставляющих удовольствие; и наслаждение, испытываемое через это чувство, всегда бывает лишь мимолетным и преходящим[3].[4]

Непонятно, почему Кант стал экспертом по части удовольствий. Но человеческий нос мало интересовал не только философов – ученых тоже. В 1874 году Чарлз Дарвин писал, что «обоняние чрезвычайно мало полезно» человеческому роду. Репутации обоняния было недостаточно, чтобы превратить его в предмет научных исследований.

Ситуация начала меняться в середине XX века. Увеличилось число ученых, признававших, что у обоняния как новой модели для изучения чувств есть потенциал. Революционные разработки в нейробиологии открыли новые возможности для ее методов и представлений, особенно за последние десятилетия. Восприятие запахов и его нейробиологическая основа стали ключевым элементом для понимания разума через анализ мозга. Пришло время привести наши несколько устаревшие философские представления о разуме и мозге в соответствие с новой реальностью.

Цель данной книги как раз в этом. Мне хотелось бы прочесть подобную книгу в тот момент, когда разгорался мой интерес к носу – и к его взаимодействию с сознанием. В последнее время было проведено огромное количество сложных исследований в области обоняния. Пришла пора отпраздновать проделанную работу. «Философия запаха» – беззастенчивое объяснение в любви обонянию. Она отражает общий взгляд на различные нестандартные направления исследований, изучающие, что знает нос. Они охватывают разработки в сфере нейробиологии, молекулярной биологии, генетики, химии, когнитивной психологии и философии, а также экспертный опыт в парфюмерии и виноделии.

Однако философская суть книги выходит за пределы междисциплинарного синтеза. Это не обобщение результатов, а демонстрация перспектив, новых возможностей через обозначение открытых вопросов в современном отношении к обонянию. Создание такой книги было бы невозможно без участия многих специалистов, которые уделили мне время и рассказали об исследованиях в этой сфере и ее развитии. Наши беседы показали, насколько разнообразна эта область по тематике, персоналиям и мнениям. Я не сумела передать все точки зрения (прошу прощения у тех, чьи идеи не нашли здесь отражения), и, вероятно, не все согласятся с основной мыслью книги.

Исследования носа продолжаются. После этой публикации будут сделаны новые открытия. Возможно, они позволят иначе взглянуть на то, что обсуждается в книге: либо подтвердят высказанные тезисы, либо внесут диссонанс. В конце концов, книга должна заканчиваться там, где начинается будущее науки об обонянии. Дело за тобой, малыш![5]

Введение. Погружение

Начнем с эксперимента. Зажмите пальцами нос, пока жуете карамельку. Вы почувствуете сладость, но больше ничего. А теперь отпустите ноздри, сглотните и спокойно вдохните. Вы вдруг ощутите интенсивный фруктовый вкус карамели с нотами клубники или лимона. Это результат работы обоняния.

Возможно, вас удивит, что люди прекрасно справляются с распознаванием нескольких сотен тысяч запахов, особенно – ароматических компонентов еды и напитков. Нет хорошего научного объяснения, как мозг осмысливает запахи. Они привлекают нас или отталкивают, приводят в состояние расслабления или раздражения; однако мы не понимаем, как человеческий мозг придает смысл запахам или создает его. Не исключено, что именно поэтому нюх часто и безнадежно нас подводит.

В книге мы рассмотрим популярные заблуждения о человеческом обонянии и новые данные, которые, скорее всего, изменят ваше представление о том, что отбирает наш нос для обработки мозгом и восприятия разумом. Анализируя, что и откуда ученые знают о запахах, мы вернемся к классическому вопросу из области чувственного восприятия: что нос сообщает мозгу и как мозг это понимает? Хотя ответ все еще не найден, данная книга предлагает современное философское и историческое погружение в эту пока нерешенную нейробиологическую загадку. «Философия запаха» покажет неопределенность и неполноту современных знаний об обонянии, включая теоретические представления о субъективном восприятии запаха и его связи с познанием. Это прекрасная площадка для демонстрации конкурирующих мнений о чувствах как способе связи с реальностью. Пришло время взглянуть на обоняние как на новую модель отражения мозгом сенсорной информации и природы восприятия в целом.

Запах – чрезвычайно изменчивое ощущение. Его воспринимают неодинаково как разные люди, так и один человек в разной обстановке. Из-за непостоянства качественных характеристик обоняние кажется субъективным. По этой причине некоторые считают, что нос не может быть надежным свидетелем объективной реальности. Однако в настоящее время такое мнение признано ошибочным. Нашему нюху можно доверять в гораздо большей степени, чем мы думали. Недавние открытия в области обоняния позволили иначе взглянуть на чувственное восприятие, включая объективные основы нашего субъективного опыта. Жесткое разграничение между субъективностью и объективностью чувств – следствие ортодоксальных философских идей, не опиравшихся на знания о мозге. Современные теории о мозге и разуме продолжают существовать в ограниченных рамках, поскольку редко рассматривают то, чего не видно с первого взгляда.

Примером устойчивой системы в изучении чувств остается зрение. И неудивительно. Философская традиция была сосредоточена на понимании того, что можно увидеть глазами. Ученые узнали о зрительных механизмах больше, чем о каких-либо других. В конце 1950-х и в 1960-х годах успехи в изучении системы зрения привели к появлению идеи картирования мозга, которая продолжает определять развитие нейробиологии и усиливающиеся междисциплинарные дебаты о философском смысле новых данных. Зрительная парадигма основана на топологии и предполагает, что внешние раздражители отражаются в виде локальных схем возбуждения нейронов в определенных функциональных отделах мозга. Соответственно, специализированные отделы мозга создают и обрабатывают наше восприятие конкретных характеристик – ориентации, формы или цвета предмета. Организационный принцип работы мозга обнаружен и в других сенсорных системах, таких как слух. Если бы мы заглянули в ваш мозг и увидели активность определенных областей слуховой коры, то поняли бы, высокий или низкий звук вы сейчас слышите.

Восприятие цвета с помощью зрения и звука с помощью слуха основано на конкретном стимуле (длина волны электромагнитного светового спектра для зрения и давление воздуха для слуха), который можно линейным образом отобразить в виде карты возбуждения нейронов. Обонятельные стимулы многомерны. Качество запаха определяется химическими веществами с разной структурой с тысячами молекулярных различий. Мы пока не знаем, как человеческий мозг использует нейронное пространство для кодирования такого спектра непространственных стимулов. До настоящего времени мы не смогли обнаружить никакой карты запахов в коре головного мозга. Остается открытым вопрос даже о возможности существования такой карты.

Запахи подразделяют на несколько классов, например, чесночный, горелый, цветочный или растительный; их число в каждой категории фактически не ограничено. В отличие от зрения и слуха, физические стимулы обоняния не имеют строгой и понятной классификации. Это связано не с кажущейся субъективной природой запахов, а скорее с молекулярной сложностью обонятельных стимулов. Вероятно, вполне логично выделять элементы зрительных образов, такие как форма, расположение и перемещение, и отражать их на карте функциональных отделов мозга, но гораздо менее очевидно, как выделять обонятельные элементы источников запаха, таких как яблоко, чеснок или моча, и наносить их на карту различных отделов мозга. И это еще более справедливо, если учесть, что связь качественных элементов с физическим строением молекул все еще однозначно не установлена.

Восприятие запаха вовлекает нас в переживание многих типов чувственного опыта. Например, хотя мы знаем, что ощущаем запахи носом, мы чувствуем их во рту. (Ученые, изучающие сенсорное восприятие, называют это «оральной перелокализацией».) Возможно, вы испытывали состояние, когда запах буквально находится у вас «на кончике носа»: вы не можете его назвать или определить, даже если он вам знаком. «Подождите, у меня вертится на языке. Я знаю этот запах!» Кроме того, восприятием запаха очень легко манипулировать через вербальное воздействие и другие сенсорные стимулы. Специалист по винам может уловить ноты ванили, которые вы не унюхали, но зато сразу узнаете после его подсказки. В зависимости от контекста восприятие идентичных ароматических смесей может отличаться. (Сумеете ли вы с завязанными глазами различить запахи грязных ног и пахучего сыра?) Мы рассмотрим эти вопросы, чтобы понять, что такое запахи и какого рода вещи или свойства внешнего мира они отражают. Или в научной терминологии – какую перцептивную информацию передает запах и какие нейронные корреляты обрабатывают эту информацию в мозге.

Современная модель для сенсорной нейробиологии

Научная история обоняния удивительно коротка. Обоняние стало одним из основных направлений развития нейробиологии почти мгновенно – в 1991 году после открытия Линдой Бак и Ричардом Акселем генов обонятельных рецепторов. Редко какое-то научное открытие в такой степени формирует целую область, как произошло в этом случае. В 2004 году Бак и Аксель за свою работу были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Выяснилось, что обонятельные рецепторы составляют самое обширное семейство белков, закодированных в геноме большинства млекопитающих (за исключением дельфинов) и обладают множеством важных свойств для анализа связей между структурой и функцией в поведении белков. Обонятельные рецепторы относятся к надсемейству белков, называемых рецепторами, сопряженными с G-белком[6], которые вовлечены в самые разные биологические механизмы – от зрения до регуляции иммунного ответа. Обнаружение генов рецепторов наконец обеспечило возможность подойти к направленному анализу сигнальных путей обработки запахов в головном мозге.

Значимость открытия обонятельных рецепторов отражается в невероятной скорости, с которой начали обнаруживаться генетические данные. Одним махом это открытие позволило пересмотреть целый ряд необоснованных, но устоявшихся постулатов о смысле запаха. Включая представления, что у обоняния не очень сложный молекулярный механизм, что обоняние у людей переживает эволюционный спад и что обонятельные пути составляют небольшую и странную систему, подчиняющуюся иным принципам причинности, чем другие сенсорные системы. В целом общее мнение сводилось к тому, что мы немногое можем почерпнуть из запаха и его влияния на работу других сенсорных систем. Как же это далеко от истины!

Необходимость создания теории восприятия запахов, учитывающей специфику обоняния, возникла относительно недавно. Развитие технологий определяет состояние современной науки, которая в значительной степени опирается на инструменты, позволяющие видеть невидимое и измерять неопределенное. Главная причина, почему изучение запаха почти не отразилось в истории науки, очень проста. Природа запаха такова, что его трудно измерять. Представьте себя в роли экспериментатора XIX века. Как бы вы подошли к постижению смысла запаха? Какие бы инструменты вы использовали? Как бы вы сделали видимым быстротечное и изменчивое впечатление от запаха, материализовали его физические превращения, определили его происхождение и провели над ним контролируемый эксперимент? Наконец, как бы вы вообще приступили к определению и сравнению восприятия разных запахов? Суть проблемы в 1914 году выразил Александр Грэхем Белл:

Вы когда-нибудь пробовали измерить запах? Вы можете сказать, что один запах ровно в два раза сильнее другого? Вы можете измерить разницу между двумя запахами? Совершенно очевидно, что существует множество типов запахов – от фиалок и роз до асафетиды[7]. Но пока вы не сможете измерить их сходство и различие, никакая наука о запахах невозможна. Если вы хотите развивать новую науку, измерьте запах[8].

До 1991 года обоняние не было привлекательным направлением экспериментальных исследований: оно не обещало славы в летописях науки. Учеными, занимавшимися изучением запахов, двигали любопытство и увлеченность. Но после обнаружения генов рецепторов это поле деятельности начало открываться для молекулярной биологии и нейробиологии. Вдруг появилось финансирование. Стало возможным применять важные технические методы, проводить более тщательные эксперименты, в научное сообщество потянулись новые люди. Сфера начала меняться, наметились существенные сдвиги во взглядах на специализацию и значительный прогресс. Сегодня мы находимся в центре этих превращений.

За пару последних десятилетий мы узнали об обонянии больше, чем за все предыдущие века. Но вместо окончательных выводов о его механизмах мы пришли к гораздо более глубоким вопросам; теперь эти вопросы заставляют нас пересмотреть основные предположения о восприятии запаха. Именно здесь встречаются наука и философия.

Философ за лабораторным столом

Насколько трудно на самом деле расшифровать коды носа? Я все еще помню день, когда начал осознавать истинный масштаб проблемы. В январе 2014 года я в сильном возбуждении ехал из Вены в Великобританию на первую встречу со специалистом по обонянию. Эта встреча обещала стать необычной по нескольким причинам. Во-первых, Стюарт Фаерштейн – нетипичный ученый. Прежде чем стать известным нейробиологом, он был директором театра в Филадельфии, и лишь потом заинтересовался историей науки. Во-вторых, в то время я сам еще не был ученым. Я лишь недавно защитил диссертацию по классификации запахов на основании исторических и философских данных. Все произошло быстро. Несколькими неделями ранее мой бывший рецензент на защите, несравненный Хасок Чанг, вдруг связался со мной: «Ты знаешь человека по имени Стюарт Фаерштейн? Сейчас у него творческий отпуск в Кембридже, и я думаю, вам стоит побеседовать».

Кто мог подозревать, что через полтора года я буду работать в лаборатории Фаерштейна в Колумбийском университете? Этот союз был заключен на небесах, я трудился у него следующие три года. Наша первая встреча закончилась в пять утра и, возможно, продолжалась бы дольше, если бы у нас был бесконечный источник энергии. После нескольких пинт пива я выяснил, что не только молекулярные механизмы запаха намного сложнее, чем думали раньше, но и не исключено, что система обоняния работает не так, как представляли на протяжении последних десятилетий! События в науке об обонянии развивались быстро – настолько быстро, что можно было наблюдать, как часть истории науки создается в прямом эфире и в реальном времени. Меня это заворожило.

Появилась невероятная возможность говорить с людьми, которые формировали новую сферу исследований, проводить важнейшие эксперименты и работать в первых рядах, прорываясь к научному пониманию основополагающего вопроса: что знает нос? Чтобы передать дух времени, повествование в данной книге концентрируется вокруг записанных мною бесед с учеными, работавшими и работающими в этой области науки. Форма этих встреч с многочасовым обсуждением обоняния и его загадок в прошлом и настоящем каждый раз была разной. Это были беседы за кофе на конференциях, за пивом в баре, за лабораторным столом или по телефону. Одни длились около часа, другие – по нескольку дней, с бессонными ночами и долгими автомобильными переездами. Эти записи – неформальные свидетельства интеллектуальной динамики и открытости данной области исследований. Как выразился Пол Бреслин из Центра химических чувств[9] Монелла во время сороковой встречи Ассоциации хеморецептивных наук (AChemS): «В этой области нет дисциплин. Нас объединяет общий вопрос».

Создание книги, в которой звучат голоса тех людей, кто сам сформировал ее содержание, разрушает границу между научными публикациями и практикой исследовательского процесса. Это позволяет увидеть науку в действии. Представление о том, что научный метод основан на проработке гипотез, даже близко не отражает реальность, состоящую из проб и ошибок, тупиковых решений, творческих прорывов после неудач и неизвестности, а также из обсуждений, с которыми связана экспериментальная наука[10]. Скорость развития современной науки заставляет внимательнее приглядеться к изменчивой природе гипотез, объяснений, доказательств и точности.

Итак, книга не только рассказывает об обонянии, но также приглашает поразмышлять о науке в ее практическом проявлении. Традиционные представления о развитии науки основаны на знаменитой книге Томаса Куна «Структура научных революций», вышедшей в 1962 году. Идеи из этой книги повлияли на несколько поколений ученых и философов, перенявших у Куна идею о том, что рутинная научная деятельность заключается в «заполнении пробелов в данных» в рамках основных теорий своего времени – пока не произойдет революция.

Но что если мы стоим прямо в авангарде научной сферы, среди открытых вопросов и современных изменений? Из лабораторных окопов можно увидеть обычную науку в другом ракурсе, подчеркивающем ее более динамичную и изыскательскую природу. Как выглядит научный прогресс вблизи, на передовой экспериментальных исследований? Именно с этого вопроса я начал работать над книгой. И подобно науке, о которой рассказывает книга, вопрос тоже начал быстро эволюционировать.

Создание «Философии запаха» побудило меня согласиться с доводом Патриции Черчленд из ее знаменитой книги 1986 года «Нейрофилософия: Если вы хотите понять разум, вы должны понять мозг»[11]. Пол Черчленд руководствовался аналогичной идеей в нейроинформатике, а Джон Бикл развивал эту концепцию в качестве психонейронной теории[12]. Нейробиология XX века произвела революцию в нашем понимании мозга как источника разума, поставила под сомнение многие традиционные философские представления о познании и его механизмах. Мы должны не встраивать научные открытия в существующие философские концепции, а делать наоборот. Какие потенциально новые философские вопросы о мозге и разуме возникают в результате впечатляющего прогресса нейробиологии? В этом контексте обоняние предоставляет замечательную возможность подвергнуть такую философскую программу дополнительным проверкам.

Из воздуха в мозг и в разум

В десяти главах книги представлена комплексная перспектива изучения обоняния, которая также позволяет рассуждать о восприятии в более общем плане.

Повествование развивается вокруг четырех основных тем: история, философия, нейробиология и психология. Эти подходы, которые редко сочетаются между собой, содержат ключи к разгадке: психологические явления – это результат нейронных процессов, а их общему объяснению способствует философский взгляд, основанный в том числе на истории исследований.

Сначала мы рассмотрим развитие научного интереса к обонянию. В первой главе «История носа» речь идет о далеком прошлом – от древних философов до появления в середине XX века научного сообщества, занимающегося изучением обоняния. Ранние и почти забытые результаты экспериментальных исследований обоняния отражают интересную и неизвестную историю творческого развития научного поиска. Кроме того, они подчеркивают важность ключевого элемента теорий обоняния, который как раз в них отсутствует: речь о понимании биологии сенсорного пути. Вторая глава «Современная теория обоняния: на перепутье» рассказывает о том, как обоняние стало частью общего направления нейробиологических исследований в результате открытия обонятельных рецепторов. Здесь показано состояние нашего современного научного понимания запаха и обонятельных путей в общем контексте исследований мозга, концентрирующихся вокруг изучения зрительной системы. На данном этапе возникает проблема, которая пока не разрешена: имеет ли смысл строить модель обоняния на основе нейронной карты запахов?

Чтобы это понять, необходимо ответить на важнейший вопрос: что же такое на самом деле запах? Это подводит нас к философскому взгляду на характеристики обонятельного восприятия. В следующих главах мы поговорим о том, что запах оказывает куда большее влияние на познание и поведение, чем принято считать. В третьей главе «Носовой интеллект: запахи и познание» рассмотрена роль запахов в качестве составляющих элементов разума. Восприятие запаха находится на границе между осознанным и неосознанным восприятием. Так что же такое запахи как ментальные объекты? Несет ли запах концептуальную информацию? Если это так, какой тип сущностей из окружающего мира передают запахи?

Далее в четвертой главе «Как поведение зависит от химии: аффективная природа запаха» восприятие запаха рассматривается со взаимодополняющих точек зрения биологии и социального поведения. Обоняние имеет сильный аффективный аспект. Запахи влияют на наше настроение и вызывают физиологические и эмоциональные реакции; некоторые виды обонятельного опыта создают устойчивые ассоциации с конкретными воспоминаниями. Восприятие запаха имеет множество функций, в том числе поведенческих. Как объяснить эти разнообразные эффекты?

Пятая глава «Через воздух: от носа к мозгу» предлагает разные пути для поиска ответа на этот вопрос. Обсуждение строится на примере пространственного ориентирования по запаху, объясняемого через представления о химических стимулах, физиологических процессах (как мы нюхаем), нейронной топологии[13] и субъективно воспринимаемом пространстве. Чтобы понять, каким образом запахи преобразуются в ощущения, нужно внимательнее изучить устройство обонятельной системы.

В шестой, седьмой и восьмой главах мы рассматриваем запахи с точки зрения нейробиологии. Мы проанализируем все структуры обонятельной системы – от обонятельных рецепторов в обонятельной луковице вплоть до обонятельного отдела коры, где мы находим главную часть ответа на вопрос, почему обоняние противоречит современным представлениям нейробиологии, основанным на зрительной парадигме. Обонятельный сигнал приходит в зашифрованном виде – настолько, что нейронная топология не имеет никакого сходства с топологией химических стимулов. И это подрывает идею, что наши ментальные процессы в том или ином виде являются отражением физических структур. Восприятие не отражает мир, оно его интерпретирует.

В частности, в шестой главе «Молекулы для восприятия» рассказывается, почему модели стимул/ответ, не учитывающие механизмы действия рецепторов, обречены на провал. Тому есть две причины. С одной стороны, обонятельные рецепторы не реагируют на свойства молекул так, как следует из законов органической химии. С другой стороны, два молекулярных механизма на уровне рецепторов расчленяют сигнал, приводя к значительной сенсорной неопределенности.

В седьмой главе «Анализируем луковицу» оспаривается традиционное представление о том, что обонятельная луковица имеет хемотопическую карту, под которой подразумевается систематическое отражение свойств химических стимулов. Анализируя эволюцию луковицы, мы развенчиваем распространенную идею, что функция луковицы определяется ее пространственным строением.

В восьмой главе «Измеряем запахи не по карте» предлагается альтернатива традиционному представлению о первичной сенсорной коре. Для этого мы ответим на вопрос: если мозг не использует карту стимулов для обработки обонятельных сигналов, какая другая модель может описать механизмы обоняния? Анализ грушевидной коры[14] и ее многочисленных связей с соседними отделами мозга позволяет в качестве варианта рассмотреть временные картины активации нейронов для классификации запахов. Вывод: обонятельный мозг гораздо больше напоминает измерительный инструмент, чем карту.

В девятой главе «Восприятие как навык» говорится о том, как новые нейробиологические данные соответствуют психологическим объяснениям перцептивного[15] обучения и мастерства. Здесь показано, что вариабельность изначально заложена в процесс восприятия запахов. То, что люди по-разному воспринимают и описывают запахи, объясняется не только субъективностью опыта. Субъективность подразумевает отсутствие объективных измерений. Однако вариабельность обонятельного восприятия связана с причинными факторами, такими как генетика рецепторов и разветвленность системы обонятельных нейронов. Наш нос настроен на то, чтобы измерять мир по шкале, созданной нашим ментальным опытом и физиологическими условиями. Эти процессы имеют объективную основу, что показано на примере экспертов в парфюмерии и виноделии. Кажущиеся странности обонятельного восприятия легко объясняются совершенствованием наблюдений и накоплением навыков, основанных на нескольких конкретных когнитивных механизмах.

Наконец, десятая глава «Вывод: нос как окно в мозг и разум» рассматривает обоняние в рамках более широкой картины, с общими теоретическими рассуждениями о восприятии и мозге.

Вопрос, как мозг руководит носом при интерпретации информации и осуществлении наилучшего выбора, интересен и очень сложен. По этой причине, хотя книга демонстрирует науку на текущем этапе, она также рассказывает о будущем. Она заканчивается там, где зарождаются новые перспективы для развития науки и философии запаха.

То, что современная наука обоняния быстро продвигается вперед, становится очевидным, когда мы сравниваем ее с тем, как нос изучали в прошлом.

Глава 1. История носа

Если бы все существующее превратилось в дым, органом познания были бы ноздри.

Гераклит

Научную биографию обоняния можно сформулировать в одном предложении: запахи всегда являли собой онтологическую проблему. В первую очередь, запахи представляли интерес для объяснения других явлений, таких как поведение животных или опыление цветов. Однако свойствам запахов как таковых не уделялось большого внимания. Характеристики обоняния трудно описать и измерить. Научные эксперименты по восприятию запахов никогда не приводили к однозначным ответам.

Исторические записи показывают, чего не хватало в наших попытках понять обоняние. По сути, они демонстрируют наши упущения. А недоставало анализа на уровне организма – целостного исследования, начинающегося с сенсорной системы, придающей смысл запаху. Исторически при изучении запахов внимание обращали на предметы, источающие запах и являющиеся его материальной основой. До сих пор анализ запаха нередко начинают с характеристик физических стимулов, чтобы определить их влияния на восприятие. Эта стратегия оказалась успешной при исследовании других чувств, но в случае обоняния ее стали применять лишь интуитивно. Прошлые исследования не дали выдающихся результатов, и, возможно, пришло время пересмотреть реальные достижения этого подхода и заново оценить видение, сконцентрированное на источниках запаха, анализируя современные знания в исторической перспективе. Эти записи об исследованиях запаха также раскрывают интересную и неизвестную историю творческого научного мышления.

Древние времена

История большинства наук начинается с древних греков, и наша не исключение. Теории запаха зародились еще во времена Аристотеля и Платона, задолго до эпохи Возрождения, когда возникла современная наука. В соответствии с ранними представлениями все в мире состоит из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Эта теория, выдвинутая Эмпедоклом, объясняла весь порядок вещей. Каждому элементу соответствовало его естественное место в великом космосе, а свойства элементов определяли все сущее на земле. Огонь был сухим и жарким, воздух – жарким и влажным, вода – влажной и холодной, а земля – холодной и сухой.

Как запахи вписывались в это видение мира? Было замечено, что запахи проделывали большое расстояние от источника до того, кто их воспринимал. Например, стервятники могут издали обнаруживать падаль. Однако не было понятно, какая материя позволяла осуществлять такую эффективную передачу. Нужна ли среда для передачи запаха? Учитывая неопределенную и невещественную природу запаха, древние философы не уделяли значительного внимания человеческому обонянию, и его обсуждение не занимало важного места в их трудах. Большинство мыслителей сходились в том, что нюх играл ключевую роль в жизни животных и второстепенную в жизни человека. Немногие рассуждения об источниках запаха сводились к двум противоположным концепциям реальности: запахи – это либо частицы, либо волны.

Первые представления о запахах были атомистическими[16]. Демокрит и позднее римский философ Лукреций рассуждали о приятности запахов. Они считали, что приятные запахи вызваны округлыми частицами, а неприятные – угловатыми, например, треугольными. Но на пути распространения этой идеи немедленно возникло препятствие: как объяснить, что одна и та же пахучая жидкость может вызывать разные реакции с разной степенью воздействия?

Платон обошел эту проблему. Он считал, что запахи являются результатом физического перемещения мелких частиц. Четыре элемента сами по себе не обладали запахом, и поэтому эти свойства должны были возникать в результате материального превращения элементов в пары или газы при трансформации воды и воздуха. В диалоге «Тимей» Платон анализировал запахи в качестве промежуточных, гибридных сущностей, не имеющих конкретного воплощения. Из-за химерного строения запахи нельзя распределять по естественным категориям, а можно лишь характеризовать по гедоническому признаку удовольствия. Примечательным элементом идеи Платона остается отчетливое понимание запаха как свидетельства изменения материи. Представление о запахе как о показателе превращения элементов предполагало форму чувственного суждения о зависимой и изменчивой природе материи.

Аристотель не соглашался с теорией паров, отмечая, что рыбы определяют запахи в воде. Он не критиковал напрямую своего учителя Платона, но нападал на Гераклита, имевшего аналогичные взгляды. В труде «О чувственном восприятии» Аристотель говорил о необходимости среды и о волновой природе запаха. Эта идея была основана на метафизических представлениях Аристотеля, приведших его к мысли о невозможности существования вакуума (horror vacui[17]). Волны запахов передают информацию, действуя как формальный стимул на водную или воздушную среду. В метафизике Аристотеля любой предмет представляет собой сочетание двух факторов – материи (hulê) и формы (morphê), а их взаимодействие описывается теорией гилеморфизма[18]. С этой точки зрения качественные вариации запахов основаны на разном материальном содержании волн.

Важны две идеи Аристотеля. Первая – разграничение в человеческом обонянии двух типов запахов. В труде «О чувственном восприятии» Аристотель признавал, что некоторые запахи обладают случайными характеристиками. Их гедонические свойства связаны не с их источником, а зависят от наблюдателя; например, аромат пищи приятнее, когда человек голоден. Другие запахи изначально приятны или неприятны вне зависимости от состояния наблюдателя. Эти запахи – свойства вещества, не имеющие отношения к человеческим желаниям. Второй тип запахов, таких как цветочный аромат – эстетический.

Кроме того, Аристотель указывал на когнитивную составляющую в восприятии запаха и вкуса. Они «приводят в действие способность восприятия, которая прежде существовала только потенциально. Таким образом, чувственное восприятие аналогично не процессу получения знаний, а использованию ранее приобретенных знаний»[19]. Возможно, именно из-за связи с воспоминаниями запахи не подходили для философских исследований основ реальности.

Запахи как объективные свойства рассматривались в садоводстве и медицине. Ученик Аристотеля Теофраст исследовал терапевтическую силу запахов. В «Исследовании растений» он давал систематические советы об излечении от недугов с помощью ароматного сока растений, например, предлагал использовать капусту для избавления от похмелья и «удаления паров пьянства»[20]. Теофраст называл восемь видов пахучих жидкостей: сладкие, маслянистые, бродильные, вяжущие, едкие, соленые, горькие и кислые. В некоторых из этих групп были дополнительные подгруппы, например, четыре варианта сладких соков.

Далее Теофраст описывал различные материальные эффекты запахов. Запахи (сухие элементы) возникали при испарении влажных элементов. Запахи растительных соков представляли собой смесь сухих (земля) и влажных (вода) компонентов. Такая классификация объясняла, почему растения могут различаться по запаху и вкусу: например, почему некоторые пахучие вещества имеют горький вкус, а сладкие вещества часто не имеют запаха.

Для медицинского применения было важно, что кроме зависимости от дозы некоторые запахи и вкусы полезны для одних организмов и вредны для других – в соответствии с их конституцией. Это противоречило мнению Аристотеля, который полагал, что любое вещество характеризуется парой противоположных сущностей. Аристотель считал, что запахи либо обладают хорошими «природными свойствами» (такими как сладость), либо имеют вредные недостатки, составляя отрицательную пару своему положительному аналогу (горькое противоположно сладкому). Однако Теофраст рассматривал влияние запахов в связи с воспринимающим их организмом и параллельно с элементным составом растений.

Таким образом он связывал различия в восприятии запаха с конституцией наблюдателя. Эта композиционная теория запаха подтверждалась наблюдениями, что некоторые свойства (такие как жгучесть или сладость) присущи и приятно, и неприятно пахнущим веществам. Идеи Теофраста можно рассматривать в качестве ранней гипотезы, объясняющей влияние смесей. Его описание запахов во фрагменте VI трактата «Причины растений» весьма обширно, хотя и не структурировано. Из его идей не выросла истинная теория запаха.

Средневековье

На протяжении Средних веков, когда общество приравнивало чувства к грехам, запахи приобрели весьма дурную репутацию[21]. Запахи указывали на моральные качества, выявляя истинную сущность вещей. Во многих трактатах, созданных по божественному промыслу, приятные запахи и моральные ценности контрастировали с нечистыми запахами и пороками. Серные пары ада, испарения распадающейся плоти и гниющих фруктов или зловоние болезней, данных в наказание за греховное поведение, противопоставлялись цветочному аромату – знаку красоты божественного творения, с пестревшим цветами раем и религиозными ритуалами, сопровождавшимися курением фимиама. Даже в смерти «запах святости» указывал на святого или мученика. Вместо зловония распадающейся плоти из могилы святого доносился приятный сладкий аромат, напоминающий запах меда или душистых цветов и трав.

Запахи олицетворяли осязаемые сигналы духовного порядка, отражали природные законы. Теологическое исследование было неотделимо от ранних донаучных исследований космоса, и в этом контексте для средневекового мышления запахи представляли всеобъемлющую материю реальности. Запахи обеспечивали переход между телесным и нематериальным миром и выходили за пределы ближайшего физического окружения, сообщаясь с миром скрытых смыслов и причин.

В качестве отражения внутренних сущностей запахи служили бесценным инструментом для врачей. Средневековая медицина строилась главным образом на гуморальной теории греческого врача Галена. Здоровье и болезнь определялись соотношением четырех жидкостей организма (крови, флегмы, желтой желчи и черной желчи), соответствовавших четырем основным элементам (воздуху, воде, огню и земле). Каждой паре приписывалось особое свойство. Их соотношение отвечало как за темперамент, так и за физиологию человека. Кровь отвечала за смелость, флегма – за спокойный нрав, желтая желчь – за амбиции или беспокойство, а черная желчь – за аналитические способности[22]. Тело представлялось как система естественных проявлений, дававших возможность понять невидимые психологические процессы. И запах был важнейшим элементом этой системы. Ароматы, соответствующие гуморальному составу человека, были приятными, а противоречащие – неприятными.

Врачи воспринимали запахи в качестве диагностического инструмента и средства для восстановления баланса гуморальных жидкостей и настроения. Популярная схема «колесо мочи» позволяла классифицировать недуги пациентов по запаху, цвету и (да!) вкусу экскрементов. Как и другие медицинские изобретения, эта практика привлекала шарлатанов, использовавших человеческую мочу в предсказательных целях. Таких шарлатанов называли «мочевыми пророками» (это выражение впервые упоминается в документах 1655 года)[23].

Средневековый интерес к передаче запахов был ограниченным и являлся частью общей дискуссии о древней космологии, причем большинство ученых предпочитали аристотелевскую версию среды платоновским парам. Теорию Аристотеля поддерживало круговое распространение запаха и тот факт, что трупы привлекали хищников на большом расстоянии даже в отсутствие ветра. Андалузский эрудит Аверроэс (Ибн Рушд) также отмечал, что пчелы определяют запах, не вдыхая воздух. Аверроэс выделял два типа чувственно воспринимаемых сущностей: материальные сущности (esse corporale) и нематериальные сущности (esse spirituale); первые воспринимались органами чувств, вторые – душой[24].

Большинство схоластов, включая Фому Аквинского и Петра Испанского (автора «Scientia libri de anima»), верили в волновую теорию запаха. Средневековые ученые разделяли аристотельскую идею о боязни пустоты. Только доминиканский монах и естествоиспытатель Альберт Великий пытался объединить противоречащие друг другу представления Аристотеля и Платона о запахе. В труде «О душе» («De anima») Альберт Великий высказал гипотезу, что частицы Платона были истинной причиной запаха, прежде чем превращались в духовные качества, попав через воздушную среду в сенсорные пути. Он связал свой аргумент с наблюдениями за частицами ядовитых паров. Альберт Великий отстаивал многоступенчатую теорию восприятия: органолептические качества отделялись от материальной формы в результате умственной обработки в органах чувств[25]. Однако в теориях запаха все же превалировала идея о наличии среды.

Спорили лишь о том, как волны играют роль среды. Персидский ученый Ибн Сина, известный в Европе под именем Авиценна, предлагал три объяснения. Возможно, частицы смешиваются со средой (воздухом или водой). Или запах возникает в результате материальных изменений среды. Или, возможно, среда переносит запахи как информационные волны. Авиценна классифицировал обонятельные ощущения по степени приятности (рядом со шкалой сладкого и кислого). Более необычной была его идея, что кроме ощущаемых свойств (sensibilia), запахи также отражали такие важные качества как форма, количество, движение или покой[26].

А что было известно о физиологии обоняния? Средневековые представления об обонятельных путях и особенно об обонятельных нервах оставались путаными. Обонятельные нервы были открыты Галеном в античные времена, но поначалу исключались из группы нервов головы. Ситуация была исправлена только Каспаром Бартолином Старшим в XVII веке[27].

Средневековых теорий о физиологии запаха немного, но есть одно важное исключение – теория францисканского монаха XIII века Бартоломея Английского. Бартоломей пересмотрел анатомические данные об обонятельных путях и подкорректировал наблюдения Константина Африканского (врача XI века, известного переводами арабских медицинских текстов), полагавшего, что функция одной ноздри – в затягивании воздуха в нос, а другой – в выдыхании излишков. Бартоломей утверждал, что в ноздрях есть проводящая ткань, выступающая из мозга наподобие сосков и превращающая вдыхаемые сухие пары в душевную сущность. Далее Бартоломей предположил, что запахи действуют на мозг напрямую. Современный историк Крис Вулгар объясняет: «Нос служил путем для проведения запаха в мозг; отделявшая нос от мозга кость была пористой, и, чтобы запах ощущался, воздух должен был проходить через два отростка от лобных полостей мозга», так что «в случае запаха сам мозг являлся органом чувств»[28].

Но средневековый мир начал угасать, и античная теория о четырех элементах распалась. В результате произведенной Коперником революции в физике Вселенная перестала быть ограниченной. Вместо представлений о замкнутом мире возникла идея о безграничной Вселенной. Как следствие, в эпоху Возрождения и раннего Нового времени возникли новые возможности для изучения природы. Космос и космические объекты потеряли свое исходное положение и оказались неопределенными и неограниченными по содержанию. После падения древней онтологии старые идеи стали совмещаться с новыми. Поднялись прежние вопросы о количестве элементов и их принадлежности. Если не существует фиксированного метафизического порядка, определяющего элементную основу вещей, к чему относятся запахи?

Новое время

Научный интерес к запахам значительно возрос в XVIII веке с развитием ботаники. Центральную роль в этом сыграл основатель современной таксономии[29] шведский ученый Карл Линней. Его чрезвычайно увлекала классификация всего, что он встречал на своем пути: растений, животных, минералов и даже собственных коллег. Успех линнеевской системы классификации объяснялся иерархической интеграцией отдельных разнородных элементов в общие категории. Полезным оказалось изобретение бинарной номенклатуры с тщательным разделением элементов по родам и видам. Линнеем двигало амбициозное желание разработать систему, которая включала бы в себя все сущее. Он почти преуспел. Установленному им порядку не подчинились только запахи.

Линней исследовал терапевтические свойства растений на основании эмоционального воздействия их запаха. Работу «Odores medicamentorum» Линней написал в соавторстве со своим учеником Андреасом Валином[30]. Этот труд считается первым систематическим описанием запахов. Однако запахи в работе не классифицировались, а обсуждались в качестве показателей лечебных свойств растений. Система запахов Линнея существенно отклонялась от им же сформулированных общих таксономических принципов; причина такого методологического исключения остается неизвестной. Вместо вложенной иерархии Линней определил семь классов обонятельных ощущений в соответствии со шкалой гедонической привлекательности (с разной степенью притягательности). Приятные запахи относились к категориям ароматических или бальзамических запахов (теплая гвоздика или лилия). Неприятные составляли категории амброзийных (мускус), животных (коза), гнилостных (отталкивающие) и тошнотворных (отвратительные) запахов. Исключение составлял седьмой класс луковичных (чесночных) запахов, поскольку его нельзя было однозначно разместить на гедонической шкале.

Более проработанную схему Линней опубликовал в 1766 году в труде «Два ключа медицины («Clavis medicinae duplex»). В терапевтическом ракурсе «способы жизни» коррелировали со «свойствами природы». Линней описал пять принципов противоположного действия по шкале сладких и «дьявольских» (в переводе Хогга) запахов. Интерес к аффективной природе ароматов также затрагивал их влияние на поведение. Шведский врач и отец современной физиологии Альбрехт фон Галлер заинтересовался изменением ощущения запаха во времени. Например, запахи свежего мускуса или виверры поначалу отталкивают и напоминают вонь фекалий, но потом приобретают более приятные ноты. Распадающаяся плоть на разных стадиях разложения несколько раз меняет запах – от гнилостного до сладкого. Казалось, существует бесконечное множество вариантов классификации запахов. В «Elementa physiologicae» Галлер разделил запахи по трем основным принципам привлекательности: сладкие (или амброзийные), промежуточные и зловонные. Эти категории включали разнородный набор – от запаха шафрана до запаха фекалий или «запаха клопов, обнаруженных в кориандре».

Линней и Галлер пробудили дополнительный интерес к обонянию, а развитие исследований в этом направлении возглавил голландский физиолог Хендрик Звардемакер. Его труд «Die Physiologie des Geruchs», вышедший в 1895 году, представляет собой полный обзор теорий обоняния, предложенных его предшественниками и современниками. Звардемакер выделил три типа обонятельных ощущений: чисто обонятельные (reine olfactive Riechstoffe) и два типа смешанных, а именно – обонятельные ощущения, сопровождающиеся либо болью в носу (scharfe Riechstoffe), либо привкусом во рту (schmeckbare Riechstoffe). Он считал, что трудности с изучением чисто обонятельных ощущений связаны с недостатком точных терминов (keine besonderen Namen): запахи обычно идентифицируют по их материальному источнику. Он сравнил эту проблему с описанием цветов в донаучную эпоху. До Ньютона цвета определяли, ссылаясь на классические примеры, такие как кровь для красного цвета. Методическая терминология цветового зрения возникла после открытия светового спектра.

Таким образом, для научной классификации запахов требовалось успешное выделение простых запахов, аналогичных первичным цветам. В то время выделение компонентов запаха было сопряжено с невероятными техническими сложностями. Небольшое загрязнение и различие в концентрации образцов оказывали значительное влияние на их обонятельные свойства. Звардемакеру пришлось пойти другим путем. Он назвал девять первичных классов запахов, описывающих ботанические, химические и физиологические свойства пахучих материалов:

I. Odores aetherei (эфирные запахи; atherische Geruche);

II. Odores aromatici (ароматические запахи; aromatische Geruche);

III. Odores fragrantes (бальзамические запахи; balsamische Geruche);

IV. Odores ambrosiaci (смолисто-мускусные запахи; Amber-

Moschus-Geruche);

V. Odores alicacei (чесночные запахи; Allyl-Cacodyl-Geruche);

VI. Odores empyreumatici (запахи гари; brenzliche Geruche);

VII. Odores hircine (каприловые запахи («запах козы»);

Caprylgeruche);

VIII. Odores tetra (отталкивающие запахи; widerliche Geruche);

IX. Odoresausea (тошнотворные или отвратительные запахи;

Erbrechen erregende oder ekelhafte Geruche).

Пахучие вещества не поддавались планомерной и полной систематизации. Некоторые наблюдения самого Звардемакера находились в противоречии с его же системой, как, например, когда запах нагретого мышьяка напоминал запах чеснока. Кроме того, классификация ароматических веществ еще более усложнилась с развитием методов химического синтеза в конце XIX века.

Ботаники продолжали сортировать пахучие материалы, несмотря на тщетность попыток охватить широчайшее разнообразие запахов. Австрийский ботаник Антон Кернер фон Марилаун считал химическое понимание запахов необходимым, но недостаточным. Запахи имеют в живой природе сложный смысл, который нельзя свести к химической формуле. Например, известны случаи обонятельной мимикрии, когда растения испускают запах, напоминающий запах иных видов и представителей других таксономических групп, чтобы обманом привлечь наивных насекомых к опылению. Фон Марилаун опубликовал свои наблюдения в труде «Естественная история растений, их форм, роста, репродукции и распространения»[31].

В соответствии с теорией фон Марилауна, принятие или отторжение запахов определяется двумя основными задачами – выживанием и воспроизводством. Соединяя химию и биологию, его система определяла пять первичных химических групп запахов: индолоиды, аминоиды, парафиноиды, бензолоиды и терпеноиды. Функции этих групп определялись по четырем параметрам: описание запаха, химический состав, ботаническое происхождение и ценность. Но даже в представлении фон Марилауна эта схема оставалась несовершенной. Большинство запахов исходит не от отдельных веществ, а от смесей химических веществ. Кроме того, растения в процессе развития или в течение суточных и годовых циклов могут испускать разные запахи. Биологическая классификация запаха предлагала не однозначные, а перекрывающиеся определения.

Однако классификация фон Марилауна оставалась популярной в садоводстве. Активным сторонником идей фон Марилауна был ботаник Джон Харви Ловелл, которому в 1920-х годах было поручено написать серию из семи статей о цветочных запахах для American Bee Journal. В этой серии статей рассматривался целый ряд вопросов, включая общее введение в физиологию человеческого обоняния и его связь со вкусом, классификацию цветочных запахов и систематический обзор влияния цветочных запахов на поведение пчел. Важно отметить вторую статью Ловелла, «Классификацию цветочных запахов», в которой он отмечал условность любой системы классификации в связи с ее практическим применением. Более того, Ловелл отмечал, что классификация запахов подразумевает определенную степень неоднозначности: «Во многих случаях будут возникать разные мнения относительно запаха некоторых цветов». Вероятно, это различие во мнениях связано с тем, что «цветок может источать два запаха, или его утренний запах может отличаться от вечернего»[32].

Другим сторонником фон Марилауна был Фрэнк Энтони Хэмптон. В книге «Запах цветов и листьев» Хэмптон выделил десять категорий и предложил три стандарта для идентификации известных запахов и классификации новых[33]. Первым стандартом было качество запаха (словесное описание), вторым – основное применение в производстве ароматических веществ, таких как эфирные и жирные масла или спирты (растительные экстракты), а третьим – тип цветка (образец).

К середине XX века интерес к таксономической классификации запахов увял. Причиной послужили значительные изменения в биологических науках в XIX и особенно в XX веке. Технологические прорывы и важнейшие открытия в биохимии привели к смещению центра научных интересов. Естественная история уступила место генетическому и экспериментальному исследованию жизни животных и растений. И в этом новом ракурсе в рамках наук о жизни запахи утратили свою объяснительную функцию.

Химический поворот

До XIX века немногие ученые исследовали запахи в качестве химических соединений, разве что в парфюмерии. Парфюмерия – одна из двух древнейших в мире профессий – была делом секретным. История парфюмерии изобилует сказками, и кажется, что ее замысловатую связь с ранней химией трудно распутать. Основные методы парфюмерии представляли собой практическое применение ранней химии. Химия и парфюмерия в значительной степени перекликались в использовании материалов и инструментов, а также в стоящих целях[34].

Парфюмеры выделяли, перегоняли, смешивали, нагревали, разделяли пахучие вещества и экспериментировали с их наблюдаемыми свойствами. Записи рецептов для создания пахучих веществ и манипуляций с ними восходят к дохристианской эпохе. Первые хроники с описанием масел и помад относятся еще к временам Древнего Египта.

За столетия парфюмеры создали и усовершенствовали разные методики. В процессе экстракции растительный материал подвергали механическому воздействию путем прессования или измельчения. Полученные таким методом субстанции обычно содержали много летучих эфирных масел и стоили недорого, как апельсиновая цедра. Техника дистилляции представляла собой сухую или влажную перегонку: такие материалы, как цветы или древесина, нагревали, а выделявшиеся из них пахучие экстракты собирали путем конденсации. Некоторые цветы, например, жасмин, при дистилляции разрушались. Поэтому более чувствительные материалы подвергали мацерации – процедуре отделения специфических компонентов с помощью растворителей, таких как спирты. Наиболее нежные цветы обрабатывали с помощью анфлеража (абсорбции). Цветы распределяли на рамке, покрытой слоем жира, который на протяжении семидесяти двух часов поглощал их запах. Это был длительный и дорогостоящий метод. Выбор процедуры зависел от цены продуктов, требуемого качества и формы их конечного применения (эфиры, водные растворы, масла, помады или бальзамы). Эти техники парфюмерной практики существовали на протяжении столетий вплоть до XIV века.

Около 1320 года два итальянца сделали важное изобретение, которое отметило начало развития современной парфюмерии: придуманная ими охлаждающая система в форме змеевика облегчала получение крепкого спирта. Парфюмерам это предоставляло невиданные ранее возможности. С появлением концентрированного спирта применение пахучих веществ кардинально изменилось, поскольку спирт разбавляет и расщепляет смеси. Ингредиенты духов можно было разделить и высвободить на нескольких стадиях, а ароматные творения проявляли разные свойства в зависимости от длительности контакта с кожей.

Так родились современные духи. Теперь это была тройная композиция, состоящая из «верхних нот» (ощутимых в первые 15 минут), «средних нот» (или «нот сердца», слышимых на протяжении получаса после испарения «верхних нот») и «базовых нот» (остаточного аромата, длящегося до 24 часов). В эпоху Возрождения случился бум в создании новых и сложных сочетаний запахов. «Венгерская вода», созданная в 1370 году по заказу венгерской королевы Елизаветы, была одним из первых парфюмерных изделий на основе спирта и по сей день остается одним из наиболее удачных ароматов[35].

О химическом составе запахов было известно мало. Ситуацию изменил пионер современной химии – англо-ирландский ученый Роберт Бойль. В 1675 году Бойль описал серию из двенадцати «Экспериментов и наблюдений о механическом производстве запахов»[36]. Этот краткий отчет, содержавший инструкции для экспериментального воспроизведения, представлял собой часть более обширного критического обзора популярной алхимической доктрины, которую современники Бойля называли tria prima и которую поддерживал Парацельс и его последователи спарагисты. Доктрина tria prima описывала состав веществ в соответствии с тремя принципами: соль воплощала принцип устойчивости и невоспламеняемости, сера – принцип горючести, а ртуть – принцип плавкости и летучести[37].

Бойль считал, что химический мир состоит из частиц (корпускул). И запахи не исключение. Однако с ними была связана некоторая неопределенность. Было очевидно, что материалы испускали запахи самых разных типов, менее явным был «принцип испускания запаха». Проблема корпускулярной теории запаха состояла в том, что, несмотря на постоянное высвобождение пахучих частиц, масса источника заметно не сокращалась. Наблюдая на протяжении шести дней за куском асафетиды, Бойль рассуждал так: «Весь кусок не потерял и полчетверти грана; это заставило меня подумать, что, возможно, есть потоки, различимые нашими ноздрями, которые гораздо тоньше, чем благоухающие испарения самих пряностей там»[38].

Связаны ли изменения свойств запаха с разными химическими реакциями? Бойль придумал несколько вариантов экспериментов, проверяя роль разведения, тепла или посуды из разных металлов, таких как серебро или золото. Реакции были отчетливыми, измеряемыми и при этом разнообразными. Например, Бойль обнаружил, что сочетание некоторых непахучих веществ приводит к появлению сильного запаха. В другом случае он получил приятный запах из зловонных компонентов. Кроме того, удавалось нейтрализовать или усилить некоторые запахи путем добавления веществ, запаха почти не имевших. Эти эксперименты показали, что появление запахов подчиняется тем же законам, что и другие химические реакции.

В качестве примера приведем одну из инструкций Бойля из «Экспериментов и наблюдений»:

Эксп. I

Из двух материй, обе из которых не имеют запаха, немедленно произвести сильный запах мочи.

Возьмите хорошей негашеной извести и аммонийной соли, разотрите или измельчите их вместе, и вы, поднеся нос к смеси, обнаружите запах мочи, произведенный частицами летучей соли, высвобожденной при этой процедуре, который также попадет вам в глаза и заставит их слезиться.

К XVIII веку корпускулярная теория запаха получила в науке всеобщее признание. Однако запах передающихся по воздуху частиц не объясняли в истинных физических терминах. Считалось, что в восприятии запахов задействованы нематериальные динамические сущности. Наиболее ярко выражала эту идею теория spiritus rector, главным сторонником которой был голландский ботаник, химик и врач Герман Бургаве, учитель фон Галлера.

Бургаве считал, что за восприятие запаха отвечают два элемента, и отделял причину физического явления от ментального опыта. Действующей материей, осуществляющей перенос запаха, были летучие частицы. Однако частицы как таковые в гомогенном виде не объясняли разнообразия запахов. Качество запаха определял spiritus rector («управляющий дух») – невидимое маслянистое вещество, связанное с физическими частицами и действующее в качестве некоей жизненной силы напрямую на разум наблюдателя. Бургаве замечал: «Но маслянистые части в некоторой степени зависимы от этого чувства, поскольку перемещаются совместно с управляющим духом и, прикрепляясь к поверхности обонятельной мембраны, делают результат действия пахучих частиц более постоянным и продолжительным»[39]. Запах оставался важнейшим выражением живого мира, выходившим за пределы механических стимулов.

Современное понимание запаха начало формироваться после того, как два французских ученых внимательно исследовали лошадиную мочу. Лошадиная моча, имевшаяся в Европе XVIII века повсеместно и в большом количестве, обладала многими важными экспериментальными характеристиками (яркий цвет, щелочные свойства и едкий запах). Наряду с Лавуазье это были самые известные французские химики того времени – Антуан Франсуа де Фуркруа (зловещим образом причастный к безвременной гибели Лавуазье) и Клод Луи Бертолле. Они выделили из мочи мочевину и идентифицировали ее в качестве источника запаха мочи[40]. Другие ученые подтвердили важность этого открытия:

Моча, когда приобретает щелочность, становится такой липкой и вязкой, что может быть разделена на длинные нити. При микроскопическом исследовании в лошадиной моче обнаруживается большое количество округлых частиц, размером от частиц слизи до вчетверо его превышающего, которые разрываются под давлением стеклянных пластинок, между которыми изучают жидкость. Фуркруа и Воклан выпарили лошадиную мочу, выделили мочевину в виде нитрата, нейтрализовали кислоту щелочью и нашли небольшое количество красноватого жира, улетучивающегося на водяной бане, который считается причиной запаха и цвета мочи[41].

В 1828 году немецкий ученый Фридрих Вёлер включил изучение запахов в общие химические исследования с помощью нового эксперимента[42]. Он синтезировал мочевину из цианата аммония (CH_4N_2O). Значение этого синтеза невозможно переоценить. В то время считалось, что поведение органических веществ не описывается правилами, которым подчиняется поведение неорганических веществ: органические вещества подчиняются другим законам и жизненным силам. Вёлер показал, что это не так. Он синтезировал органическое вещество – мочевину – из неорганического соединения, цианата аммония. Органическая и неорганическая химия соединились, в химии произошел сдвиг парадигмы. Это было стартовым сигналом для изучения запахов.

У запаха появилось новое материальное измерение. Шаг за шагом происходила идентификация химического состава пахучих материалов, начали активно развиваться методы синтеза сырьевых и редких материалов. В 1818 году Жак-Жюльен де Лабиллардьер определил, что терпентиновое масло (скипидар) состоит из «соотношения пяти атомов C к восьми атомам H ((C_5H_8)x)»[43]. Это открытие ускорило анализ состава аналогичных эфирных масел. В 1833 году Жан-Батист Дюма признал, что большинство эфирных масел имеют заметное сходство химического состава[44]. Он разделил эфирные масла на те, которые «содержат только углеводороды, такие как скипидар и лимонное масло, окисленные соединения, такие как камфорное и анисовое масло, или соединения серы (горчичное масло), или азота (масло горького миндаля)»[45]. Эжен-Мельхиор Пелиго, Юстус Либих и Отто Валлах собрали еще больше данных о составе и формулах важных для парфюмерии эфирных масел, таких как ментоловое и миндальное масла. Эти открытия происходили параллельно с развитием методов выделения различных компонентов запаха из сырьевых материалов, к числу которых относились вакуумная перегонка и дериватизация – метод для синтеза сходных по структуре веществ из конкретных химических соединений.

За пять последующих десятилетий произошел прорыв в исследованиях синтетических продуктов. В частности, катализатором этого процесса послужил синтез кумарина. Кумарин, впервые синтезированный в 1868 году, пахнет свежескошенным сеном и в природе встречается в бобах тонка (Dipteryx odorata) и в доннике, или сладком клевере (Melilotus). Кумарин был получен с помощью так называемой конденсации Перкина путем соединения салицилового альдегида (C_6H_4CHO-2-OH) с уксусным ангидридом ((CH_3CO)2O). Сэр Уильям Генри Перкин, в честь которого названа эта реакция, также создал первый синтетический анилиновый краситель – сейчас этот розовато-лиловый цвет известен как «мов».

Становление химии ароматических и вкусовых добавок было отмечено синтезом ванилина из кониферилового спирта, осуществленным Фердинандом Тиманом и Вильгельмом Хаарманом в 1874 году. Хаарман понимал, что научный интерес к синтезу пересекается с растущими потребностями индустрии. Вскоре они с Тиманом основали собственную компанию Haarmann’s Vanillinfabrik. В последующие годы эффективность реакций росла, удовлетворяя нуждам крупномасштабного производства искусственных материалов[46]. Хаарман нанял Карла Реймера, который разработал технологию для усовершенствования синтеза ванилина. Метод Реймера оказался очень удачным[47]. Компания, переименованная в Haarmann&Reimer, быстро разрасталась (намного позже, после слияния с компанией Dragoco, эта фирма стала четвертой по величине парфюмерной компанией Symrise).

Это было время крупнейших изменений в химическом производстве парфюмерии и ароматизаторов, а также красителей и чернил. Появились новые компании, специализирующиеся на производстве синтетических материалов, включая двух главных игроков на современном рынке промышленных ароматов: Firmenich (изначально Chuit&Naef) и Givaudan; обе компании были основаны в 1895 году[48].

Индустриализация в Европе в XIX веке, безусловно, сформировала лицо современной химии. Началась торговля синтетическими ароматизаторами. Увеличение объема производства и рост потребности в ароматических продуктах стимулировали поиски дополнительных, новых и лучших синтетических веществ, что неизбежно вызвало модернизацию пищевой и парфюмерной промышленности. Традиционные сырьевые материалы для производства духов, такие как амбра, стали слишком редкими и дорогими для широкого коммерческого использования[49]. Природные материалы были заменены синтетическими. Искусственные вещества оказались удобнее в нескольких отношениях: их производство не зависит от сезона, как сбор цветов, и они доступны постоянно. Еще один важный фактор – введение этических, гигиенических и правовых ограничений на использование продуктов животного происхождения, таких как амбра или цивет, и их замена произведенными на фабрике.

Синтетическая химия инициировала фундаментальные сдвиги в научном понимании запаха. Венгерский ученый Леопольд Ружичка, удостоенный в 1939 году Нобелевской премии по химии за исследования феромонов насекомых, подтолкнул к пониманию связывающей способности молекул. В 1920 году Ружичка признал возможным, что осмофорная группа[50] может отвечать за ориентацию молекулы в гипотетическом рецепторном участке[51]. (Карьера Ружички была типичной для многих химиков того времени, изучавших ароматы. Не имея финансовой поддержки от традиционных научных институтов, он ушел на производство и возглавил отдел исследований и развития в компании Firmenich[52].)

Развитие химии изменило онтологию запаха. Стало непонятно, что считать природным, а что – искусственным. Химический синтез – не просто изменение материи. Он открывал новые перспективы в понимании причинной связи между запахами и их материальной основой. За неупорядоченным миром растительных материалов скрывался невидимый и сложно структурированный молекулярный мир. Мир запахов, возникший в результате развития и эволюции растений и животных, теперь сосуществовал с миром химических запахов, только что полученных в лаборатории синтетическим путем. Эта сущностная революция показала, чего не хватало в предыдущих исследованиях обоняния – сенсорной системы, скрывающей важнейший вопрос: что значит – воспринимать запах?

Физиология на закате XIX века

До XX века научный интерес к запахам концентрировался вокруг материалов, которые источают запахи. Когда стало известно о сенсорной системе, о ее физиологии и психологии? В начале XX века ученые разных специальностей независимо друг от друга обратили внимание на обоняние. И вот уже наше историческое повествование уходит от хронологии событий и обращается к мозаике исследований, охватывающих раннюю физиологию, психологию и – в скором времени – биохимию.

Первоначальный интерес к физиологии обоняния был кратким, но продуктивным. Мало что было известно об обонятельных путях. Гиппократ и Леонардо да Винчи выполнили анатомические рисунки носовой полости. Более подробное описание появилось позже в результате исследований британского хирурга Натаниэля Гаймора, его французских коллег Луи Ламорье и Луи-Бернара Брешилье Журдена, немецкого врача Самуэля Томаса фон Зёммеринга и итальянского анатома Антонио Скарпы[53].

Единственный стоящий упоминания механизм определения запахов был предложен французским врачом и анатомом Ипполитом Клоке в 1821 году в труде «Osphrésiologie: Ou, traité des odeurs, du sens et des organes de l’olfaction»[54]. Клоке признал важную роль слизистой, прочитав более ранние работы на эту тему немецких врачей Конрада Виктора Шнейдера и Йохана Фридриха Блуменбаха. Возможно, Клоке был первым, кто предложил механизм определения запаха с участием слизистой:

Когда пахучие молекулы оказываются в полостях носа, они распределяются по всей площади, чему способствует их прохождение через узкое отверстие в более просторную полость; в соответствии со всеми законами гидродинамики, эти условия должны замедлить их движение и продлить контакт со слизистой обонятельных путей. Затем они соединяются со слизистой, которая, по-видимому, обладает более высоким сродством с пахучими молекулами, чем с воздухом. Поэтому слизистая отделяет их от этой жидкости и удерживает на мембране, где они воздействуют на обонятельные нервы, которые в свою очередь передают полученное впечатление в мозг.[55]

До конца XIX века физиология обоняния по большей части оставалась неизведанной территорией. И это упущение не было случайным. Трудно измерять и наблюдать обработку запахов. Подумайте: как бы вы стали определять, в какой части носа действуют частицы запаха, не говоря уже о том, как они это делают? Физиолог Эдуард Паулсен задал себе этот вопрос. В 1882 году Паулсену пришла в голову идея. Для современных людей она звучит жутковато, однако это был хитроумный экспериментальный подход. Паулсен раздобыл разрубленную пополам человеческую голову (рис. 1.1). Он покрыл носовую полость небольшими полосками лакмусовой бумаги и подключил аппарат искусственного дыхания. Затем две половины головы были соединены – грубо, но эффективно. Далее для имитации дыхательных путей была использована металлическая трубка, изображавшая трахею, и мочевой пузырь свиньи, служивший легкими. Паулсен продувал в нос воздух, в который он добавил аммиак. Отмечая места, где лакмусовая бумага изменила цвет, он зафиксировал путь прохождения воздуха через носовую полость – вплоть до эпителия, где происходит определение запаха. Вскоре похожее исследование провел Звардемакер[56]. Вместо человеческой головы он использовал слепок головы лошади, отделив носовую полость стеклянной пластинкой. Он разместил под ноздрями свечку и пропускал через них насыщенный углекислым газом воздух с помощью аппарата искусственного дыхания, аналогичного аппарату Паулсена, а затем измерял концентрацию выделяемого свечкой углерода на стеклянной пластинке, чтобы восстановить ход воздушных путей.

Эксперименты Паулсена и Звардемакера были проверены на наличие экспериментальных артефактов. Ни голова трупа, ни слепок не содержали живых тканей. Предполагалось, что поток воздуха в пульсирующих мембранах значительно отличается от такового в мертвой и лишенной воздуха ткани или жестком неорганическом материале. При повторных экспериментах были внесены некоторые модификации; например, для создания ингаляционных аппаратов применяли другие материалы (резиновые трубки вместо металлических).

РИС. 1.1. Человеческая голова в разрезе. В 1882 году Паулсен зафиксировал путь воздуха через носовую полость. Используя лакмусовую бумагу (прямоугольники справа) и аппарат искусственного дыхания (расположен ниже по оси AB), Паулсен проследил путь воздуха, насыщенного аммиаком, по обесцвечиванию лакмусовой бумаги. Источник: H. Zwaardemaker, Die Physiologie des Geruchs (Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895), 47.

Пока не стала известна анатомия обонятельных путей, теории запаха оставались умозрительными. Развитие нейроанатомии обоняния было связано с появлением новых технологий окрашивания тканей. Важнейшая из них – окрашивание серебром по методу Камилло Гольджи, позволившее описывать отдельные нейроны и их структуры. Подробные данные Сантьяго Рамон-и-Кахаля, полученные таким методом, актуальны и по сей день (подробнее о работах Гольджи и Рамон-и-Кахаля рассказывается в главах 2 и 7). Постепенно обонятельные отделы мозга становились зримыми. Но как объяснить увиденное?

Психология начала XX века

Было далеко не очевидно, что же такое запах. На протяжении веков он считался невидимой сущностью вещей. Но в чем был его смысл? О каких свойствах на самом деле свидетельствовало его восприятие? Каково значение психологической интерпретации крохотных молекулярных элементов и тонких нейронных структур? Что заставляет определенное количество этиленовых связей или углеродных цепей превращаться в мысленный образ роз или персиков? Так чувство обоняния стало предметом изучения психологии.

Однако психология начала XX века не была готова к решению таких задач. Популярные теории, особенно психоанализ, были посвящены решению более общих вопросов о природе человека и общества. Запахи не вписывались в эту схему.

Зигмунд Фрейд, знаменитый тем, что все ассоциировал с проявлением сексуальности или с ее подавлением, не уделял внимания обонянию. Оно играло слишком незначительную роль в анализе современного человеческого общества. Фрейд связывал формирование человеческой цивилизации с переходом к прямохождению и, поскольку нос при этом удалился от земли, указывал на снижение роли запахов в человеческой психологии. Вообще говоря, Фрейд считал любой длительный интерес взрослых людей к запахам некоей патологией и проявлением архаических инстинктов (как анальная фиксация)[57]. На этом он и остановился.

Пренебрежительное отношение Фрейда не было исключением. Если запах привлекал внимание, это происходило в контексте обсуждения психозов, особенно женских, как в «Трактате о нервных женских болезнях», написанном в 1840 году английским врачом Томасом Лейкоком[58]. Антропологические исследования усиливали мнение, что острый нюх – признак примитивной культуры и не свойственен цивилизованному человечеству. Однако история психологии не ограничена мнением Фрейда и его последователей. Раздавались и другие голоса.

Один из них принадлежал передовому английскому врачу Хэвлоку Эллису, который в числе первых проявил научный интерес к человеческой сексуальности. В его работе 1905 года «Половой отбор у человека: осязание, обоняние, слух и зрение» в сборнике «Исследования психологии пола» уже в названии пересматривалась традиционная иерархия чувств и их значимость[59]. Эллис посвятил описанию обоняния шесть глав. Конечно, тесная связь между сексуальными отношениями и обонянием всегда была поводом для насмешек. Вид носа, как не смог не прокомментировать Эллис, в ходе истории постоянно подстегивал воображение и распространение слухов: «Римляне верили в связь между крупным носом и крупным пенисом… на этом настаивали и физиономисты, а распутные женщины (такие как Иоанна Неаполитанская[60]), по-видимому, учитывали это, хотя их часто ждало разочарование». Кроме пересказа мифов Эллис писал, что человеческое обоняние, вопреки общепринятому мнению, «чрезвычайно тонкое, хотя часто недооцененное», но при этом указывал на снижение его чувствительности и значения по сравнению с обонянием животных.

Разнообразие обонятельных ассоциаций заставило Эллиса прийти к заключению, что обоняние является «чувством воображения». Эта связь с воображением основывалась на внушающей способности запаха, «силе вызывать старые воспоминания с широким и глубоким эмоциональным откликом»[61]. Эллис также подчеркивал важность запаха тела в качестве вторичного полового признака: «все мужчины и женщины имеют запах». Запах человека передает его идентичность и узнаваемость, поскольку «личный запах напоминает личное прикосновение». И все же Эллис, как и его предшественники, предполагал, что повышенная чувствительность к запахам часто связана с нервными аномалиями.

Лишь немногие ученые пытались создать теорию запаха. В 1894 году немецкий философ и психолог Макс Гисслер составил справочник по общей психологии запаха «Wegweiser zu einer Psychologie des Geruches»[62]. Гисслер разделил запахи на категории в соответствии с их когнитивным и физиологическим действием. Он считал, что разные запахи по-разному влияют на тело и разум. Некоторые вызывают сильные физиологические реакции (кашель, слезы, чихание, рвоту или даже мочеиспускание). Другие активируют специфические органы (нервы и мышцы) или вегетативные системы организма (дыхательные, пищеварительные или репродуктивные). Запахи, влияющие на нервы и мышцы, часто выполняют функцию идентификации или социализации. Например, «социализирующие запахи» облегчают распознавание между родственниками или знакомят людей с внешней средой и находящимися в ней предметами. Для сравнения, запах с «идентификационной» функцией вызывает направленный интерес к источниу, который часто связан с памятью. В то же время запахи, которые, по мнению Гисслера, влияют на вегетативные процессы, часто имеют пищевой или эротический аспект. Вклад Гисслера заключается именно во введении категории вегетативных запахов.

Гисслер называл «идеализирующими ароматами» запахи с когнитивным эффектом, определяя три формы когнитивного совершенствования. Во-первых, «обучающие запахи», такие как запах табачного дыма, действуют параллельно с усилением логического мышления. Во-вторых, некоторые запахи могут усиливать эстетическое чувство, поскольку создают и воспроизводят абстрактные ментальные образы. Наконец, запахи могут изменять этический аспект поведения за счет успокоительного или стимулирующего действия. И у каждого типа запаха существует антипод.

Гисслер абстрагировал запахи от производимого ими действия без учета их материальной основы (ботанической или химической). Однако его теория не была полноценной – умозаключения без экспериментального подтверждения. Такой подход не был редкостью в то время; экспериментальная психология возникла только в середине XIX века, начиная с работ Вильгельма Вундта и его ученика Эдварда Брэдфорда Титченера. Однако Вундт и Титченер сосредоточились на зрении. Обоняние почти не интересовало тех, кто изучал физику нервных процессов, опытным путем пытаясь определить связи между физическими стимулами и их восприятием[63]. Ситуацию изменила женщина.

Американка Элеанор Ачесон МакКаллок Гэмбл стала первым ученым, занявшимся изучением возможностей человеческого обоняния в полноценных экспериментальных условиях. Гэмбл была ученицей Титченера. В диссертации «Применимость закона Вебера к запаху», которую она защитила в 1898 году, она проверила реакцию нескольких человек на смеси запахов, учитывая такие важные факторы, как регулярность воздействия. Это было передовое исследование. В то время не было понятно, существует ли хоть какая-то психофизическая мера обоняния. Гэмбл признавала трудности в определении объективных различий в том, что казалось субъективно воспринимаемыми ощущениями, такими как сильный или слабый запах. Методологические трудности возникали из-за сложных взаимосвязей между физиологическими условиями в организме (усталость, суточные колебания чувствительности) и разными перцептивными эффектами (интенсивность запаха, гедонический аспект запаха и его качество). Она отмечала:

(1) Тонкие запахи различаются по интенсивности неопределенным образом. Например, ваниль и кумарин быстро достигают максимума интенсивности, который нельзя повысить. В более высоких концентрациях они просто становятся неприятными. (2) Индивидуальные различия сильнее проявляются в отношении тонких запахов. (3) Суточные вариации чувствительности сильнее проявляются в отношении тонких запахов. (4) Утомление сильнее сказывается на восприятии тонких запахов. (5) Сильные запахи перекрывают тонкие[64].

Гэмбл разработала систему мер для экспериментального сравнения запахов, заложив основу психофизики обоняния. Она предложила основную единицу измерения для задач на перцептивное различение в обонянии – «едва заметное различие», ЕЗР (just noticeable difference, JND). ЕЗР – это минимальное различие между стимулами, которое может обнаружить человек. Исследования Гэмбл были частью ее общего интереса к памяти и распознаванию. Ее основной задачей была выработка основанных на опыте стандартов в психологии. Она старалась воздержаться от преждевременных суждений в отношении психологических аспектов запахов.

Строгость психофизического эксперимента базируется на точном воздействии физического стимула и измерении его эффекта. Для такого подхода к изучению обоняния требовались новые инструменты. В отличие от зрительных и слуховых стимулов, обонятельные стимулы трудно применять дискретно. Запахи могут вести себя по-разному в разных условиях в зависимости от среды или взаимодействия с другими запахами, например, при смешивании с фоновыми запахами или остаточным запахом в помещении. Но Гэмбл повезло. За год до защиты ее диссертации Звардемакер ввел в употребление новый инструмент – ольфактометр (изобретен в 1888 году, публикация вышла в 1895 году).

Первый ольфактометр состоял из пористого фарфорового цилиндра в форме длинной округлой пробирки, помещенного внутрь стеклянной трубки (рис. 1.2, вверху). С помощью пипетки экспериментатор заполнял пространство между цилиндром и трубкой пахучей жидкостью, а затем закрывал цилиндр пробкой. Это позволяло избежать взаимодействия смеси с лабораторными запахами. Жидкость медленно проникала в цилиндр. Ольфактометр также позволял дозировать концентрацию пахучих смесей. Со временем инструмент Звардемакера претерпел несколько модификаций. Изначально он имел одну, а затем – две металлические носовые трубки. Позднее между цилиндром и носовой трубкой появилась металлическая пластинка, не позволявшая участнику эксперимента видеть происходящее в цилиндре.

Немецкий психолог Ганс Геннинг признавал, что в отсутствие теории обоняния обоснованная интерпретация поведенческих реакций на запах остается невозможной. В его докторской диссертации «Запах» («Der Geruch») в 1916 году впервые появилась обоснованная теория запахов, подкрепленная экспериментальными данными[65]. Он резко критиковал описательную терминологию своих коллег, особенно это касалось Гэмбл – его основной соперницы. Набор данных Геннинга был выдающимся. Он проверил 451 образец запахов и 51 смесь на 18 участниках, включая детей и взрослых обоих полов (это были его коллеги, их дети и его студенты). Участникам предлагали пройти тренировку обоняния с эталонными материалами для классов запахов: например, фиалка для цветов, лимон для фруктов, сероводород для гнили, мускатный орех для пряностей, ладан для смол и деготь для гари. При неоднозначных результатах опыты повторяли с 46 другими участниками (студентами).

РИС. 1.2. Ольфакторные измерения. Вверху: первый вариант ольфактометра Звардемакера, изобретенный в 1888 году и описанный в статье в 1895 году. Внизу: шкала единиц запахов в ольфактах (мера обонятельной стимуляции). Источник: вверху: H. Zwaardemaker, Die Physiologie des Geruchs (Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895), 85; внизу: H. Zwaardemaker, Die Physiologie des Geruchs (Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895), 136.

Ольфактометр

Геннинг выделил шесть первичных запахов в качестве основных категорий, для определения силы запаха сравнивая его с цветом, звуком и вкусом. Геннинга вдохновила система упорядочивания цветов, разработанная Альбертом Манселлом в первом десятилетии XX века. Она же послужила прототипом для моделирования трех аспектов запаха: общего типа, интенсивности и чистоты (простоты). Однако смешивание запахов не соответствовало правилам смешивания первичных цветов (как получение зеленого цвета из синего и желтого). Геннинг использовал аналогию со звуком, сравнивая сочетания запахов с «тональным слиянием» в аккордах. Для объединения этих аналогий Геннинг предположил, что обонятельное пространство напоминает вкусовое (Рис. 1.3, внизу). В частности, запахи могут иметь «переходный характер» (между соответствующими категориями), как и вкусы, такими как соленый и сладкий, соленый и острый, соленый и горький. На этой идее построена призма шести первичных запахов: цветочного, фруктового, гнилостного, пряного, горелого и смолянистого (Рис. 1.3, вверху).

Программа Геннинга отличалась тем, что отвергала традиционную линейную классификацию и вместо нее предлагала трехмерное представление свойств запаха. Но несмотря на популярность концепции призмы, ее излишняя замысловатость вызывала в основном критику. Гэмбл сухо отметила, что идея Геннинга страдает от одного неоспоримого дефекта: «Ее четкость играет против нее»[66]. Идея была слишком проста; призма не соответствовала сложности смесей.

Вероятно, именно благодаря своей простоте призма Геннинга взлетела, как ракета. Её переняли последующие исследования и классификации запахов, в частности, классификация Крокера и Гендерсона 1927 года, в которой шесть основных запахов были сведены к четырем: ароматный, кислый, горелый и каприловый (фруктовые кислоты)[67]. Затем Ральф Бьенфанг использовал аналогии между разными чувствами как методологический инструмент. Наиболее популярными были сравнения с системой цветов Манселла, и в труде Бьенфанга «Размерность характеристик запахов», опубликованном в 1941 году, обсуждались три размерности цвета и запаха с перечислением тона (оттенок/свойство), шкалы чистоты (показатель/яркость) и диапазона интенсивности (глубина/насыщенность)[68].

РИС. 1.3. Концепция перцептивного пространства в обонянии. Вверху: обонятельная призма на основе шести первичных запахов. Внизу: сфера перекрестной модальности, включающая запах, вкус и прикосновение. Источник: вверху: H. Henning, Der Geruch (Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1916), 94; перевод автора; внизу: H. Henning, Der Geruch (Leipzig: Barth, 1916), 26; перевод автора.

Методологический вклад Геннинга, переживший идею призмы, заключается в проверке одновременно двух ноздрей. Его современники обычно проверяли обоняние либо с одной открытой ноздрей, либо сначала с одной открытой ноздрей, а потом – с другой. Геннинг критиковал такую практику как неестественную для человеческого поведения. Но его главная идея – система первичных запахов – не подавала признаков жизни до конца XX столетия.

Первая половина XX века

Несмотря на первые попытки исследований, обоняние в психологии и нейрофизиологии оставалось узкоспециализированной темой. Исключение составляла химия, которая сохраняла роль образца в изучении запахов на протяжении всего XX века. И неудивительно. Химические стимулы казались единственным объективным и контролируемым параметром в измерении, количественном определении и классификации запахов. Но без биологической модели химия не давала полноценной картины. Так или иначе, сенсорная система определяла связь раздражителя с исследуемым объектом: какие структурные особенности химических веществ отвечали за запахи?

В начале XX века по этому поводу было выдвинуто несколько гипотез[69]. Рассуждения относительно структурной основы запахов строились на известных физических явлениях. В XIX и начале XX века предпринимались попытки сформулировать колебательную (вибрационную) теорию запаха, исходя из сравнения со светом, звуком и теплом. Модели и доказательства были самыми разными. В колебательных теориях отражалось эстетическое сходство между цветом и запахом, предположение об эфирной среде и даже химические принципы, аналогичные периодическому закону Менделеева. Но как организм улавливает эти колебания запаха? Одна модель предполагала соответствие между колебаниями обонятельных клеток и молекул запаха. В другой модели указывалось, что обонятельные клетки колеблются в результате химической активности[70].

Появление колебательных теорий отражает доминирующую позицию физики в науке того времени. Существовало множество определений колебательного движения; предполагалось, что оно напоминает коротковолновые лучи, рентгеновские лучи или свет в виде электромагнитных волн[71]. Первые систематические исследования колебательной теории запаха появились в 1920-х и 1930-х годах. Идеи Дайсона возникли в результате открытия рамановского рассеяния света и испускания фотонов. Роберт Райт оживил эту идею в 1960-х годах[72]. Но биологический механизм, поддерживающий данную теорию, оставался неясным, хотя гипотез высказывалось немало. Одна идея заключалась в дистанционном влиянии на некую среду, резонирующую с обонятельными нервами[73]. Другая – в механической стимуляции обонятельных волосков для совершения колебаний разного типа под воздействием массы и импульса пахучих частиц[74]. В 1990-х годах эта идея вновь привлекла внимание в связи с модной квантово-физической моделью Луки Турина, основанной на неупругом туннелировании электронов, которая, впрочем, вскоре была опровергнута[75].

В других гипотезах физика сочеталась с химическими моделями. Одни утверждали, что некие гипотетические рецепторы могут терять энергию из-за характеристик поглощения инфракрасного излучения веществами[76]. Другие полагали, что дипольные молекулы нейтрализуются в результате контакта с мембраной[77]. Наконец, была модель, в которой утверждалось, что частота колебаний связана с диаметром пигментных зерен в обонятельной мембране[78].

Химические теории обоняния концентрировались вокруг взаимодействия молекул запаха с эпителием. Объяснения колебались от адсорбции (прикрепления молекул к поверхности мембраны) до абсорбции (прохождения молекул через поверхность мембраны или растворения в покрывающей ее жидкости)[79]. Менее популярная гипотеза основывалась на снижении поверхностного натяжения[80]. Другие идеи касались водной или липидной фазы внутри мембраны или самих клеток[81]. В рамках проверки иммунологической теории обоняния для подтверждения существования антител к запахам в ткани путем инъекций вводили инсулин[82]. Кто-то искал аналогии между обонятельными стимулами и наркотиками[83]. К 1950-м годам некоторые ученые предположили, что обонятельные реакции катализируются цепью ферментов[84].

В середине XX века количество теорий обоняния примерно соответствовало количеству ученых, занимавшихся его исследованием. Разрозненные идеи объединяла вера в существование некоего структурного принципа, объясняющего, почему каждая молекула имеет специфический запах. Но суть этого принципа оставалась тайной.

Середина XX века и далее

В середине XX века возник направленный интерес к изучению обоняния. Поначалу продвижение в этой области по-прежнему зависело от отдельных людей, занимавшихся тем или другим вопросом. В числе таких пионеров был химик и специалист по ароматам Джон Эймур, работавший в одной из четырех лабораторий Департамента сельского хозяйства в Беркли. Химик Терри Экри из Корнеллского университета вспоминал о том, как ему повезло встретиться с Эймуром в студенческие годы. «Эта лаборатория в основном занималась улучшением качества еды для гражданского населения и военных в различных экстремальных ситуациях, включая войны, наводнения и подобные события. Они много времени потратили на работу по консервированию продуктов. Джона Эймура интересовало, что происходит со вкусом продуктов, когда их замораживают, высушивают и хранят в различных условиях».

Но интересы Эймура выходили за пределы химии пищевых продуктов. Он хотел понять запахи. В 1960-х годах он вернулся к идее «первичных запахов» в свете новых открытий в структурной химии[85]. Биология системы по-прежнему оставалась черным ящиком. Эймур соединил два набора данных из химии и психофизики и предположил, что существует от пяти до восьми первичных запахов. Чтобы обойти нехватку биологических данных, он придумал интересную стратегию: изучать тех, кто потерял нюх. Он проверял людей со специфическими типами аносмии[86], которые сохранили нормальное обоняние за исключением способности воспринимать один или несколько конкретных запахов. Например, некоторые не чувствуют запах мускуса. В то время это было передовое исследование. Нейробиолог Лесли Воссхолл из Университета Рокфеллера рассказывала: «Эймур был гигантом в этой области, осмелившимся решить проблему перехода от молекулы к восприятию. Его идеи опередили время. Возможно, его размышления о специфических типах аносмии сообщили нам нечто о механизмах попадания молекул в мозг».

Через изучение аносмии Эймур надеялся найти соответствие между категориями запаха и структурными классами химических соединений методом «от противного». Далее он рассуждал о возможном существовании рецепторных участков, комплементарных первичным запахам – по аналогии с моделью «ключ – замок» для связывания лиганда, которая приобрела популярность у его современников. Модель предполагала, что лиганды[87] связываются с рецепторами, имеющими комплементарную форму. Механизм «ключ – замок» был впервые предложен Эмилем Фишером в 1894 году (Нобелевская премия 1902 года); Лайнус Полинг предположил, что это может также относиться к биохимическим взаимодействиям в обонятельных реакциях[88]. Вслед за Полингом в 1949 году шотландский химик Роберт Монкриф работал над похожей структурной гипотезой, оценивая пространственные (геометрические) свойства одорантов (пахучих молекул) и развивая идею о центральной роли молекулярной структуры в биохимических исследованиях[89].Так началось создание первой теории запаха.

Химики без устали работали над выявлением общих правил и деталей в связях между структурой молекул и запахом, одновременно открывая классы запахов, указывающих на потенциальные типы рецепторов. Еще одним пионером в моделировании связи между структурой молекул и их запахом стал немец Гюнтер Охлофф. Химик Кристиан Марго из компании Firmenich вспоминает о работе с Охлоффом: «Он строил теории[90]. Он был очень увлеченным, требовательным и всегда воодушевляющим. Он был приверженцем независимых и высококачественных исследований». Охлофф первым обнаружил нечто, напоминавшее ту самую связующую закономерность для структуры молекулы и ее запаха: так называемое трехосевое правило для амбры[91]. Это правило было сформулировано в статье, вышедшей в 1971 году; оно гласило, что запах амбры определяется присутствием двуядерного соединения декалина, причем специфические группы атомов в трех обозначенных позициях должны располагаться вдоль осей. После первого успеха правило претерпело несколько модификаций. Правилу Охлоффа противоречили некоторые очевидные исключения (например, караналь, молекула которого не подчинялась приведенному выше описанию химической топологии). Такая же судьба позднее постигла и другие правила, связывавшие запах со структурой молекул[92].

Вскоре химики признали удивительное структурное разнообразие молекул запаха. Понимание химического мира запахов необычайно расширилось во второй половине XX века, чему способствовал значительный технологический прогресс, включая развитие газовой хроматографии, а также работы многих известных химиков, таких как Чарльз Селл и Паоло Пелози[93]. Это разнообразие подрывало даже самые аккуратно сформулированные правила, связывавшие структуру молекул с их запахом (structure-odor rules, SORs)[94]. Правила SORs не могли овладеть шифром носа. Казалось, они достаточно точно отражали причинно-следственные связи, заставляющие молекулы пахнуть определенным образом. Но они не позволяли установить причину, почему молекулы пахнут так, а не иначе. Экри соглашался: «Выяснилось, что изучение молекулярной структуры лигандов не дало нам никакой информации об ответе на эти лиганды в растворах в реальных системах».

Как выяснилось, модель «ключ – замок» не только не могла решить проблему SORs, но еще и оказалась неточной. Положительный результат применения этой модели в том, что изучение обоняния было включено в более широкий круг биохимических исследований[95]. Вскоре к этой работе присоединились биологи, и среди них был Максвелл Мозель из Университета Сиракуз. Ранняя теория обоняния Мозеля 1950–1970-х годов и его же более поздние работы воплощали основную исследовательскую стратегию времени: поиск выборочной активации через формирование пространственных распределений. Теория Мозеля возникла под влиянием ранних физиологических исследований Эдгара Адриана о пространственных взаимодействиях в обонятельной луковице; он сравнивал процессы в обонятельном эпителии с функцией хроматографа («хроматографическая гипотеза»)[96]. «Вот откуда у меня возникла идея, что у обоняния, запаха и способа его восприятия и распространения могут существовать пространственные отношения – как в других сенсорных системах: слухе, осязании и отчасти даже вкусе». Он предположил, что молекулы запаха не распределяются по всему эпителию, и что в эпителии есть разные зоны, где происходит взаимодействие с одорантами. Различия в скорости связывания в рамках этой теории указывали на вариации чувствительности рецепторов.

Изучая носы лягушек, Мозель отслеживал пути прохождения воздуха и обнаружил градации «сорбции»[97], связанные с составом химических стимулов: «Предположим, что хроматографический эффект оказывает важнейшее влияние на то, что вы воспринимаете. Не знаю, читали ли вы мою статью, но я заменил колонку газового хроматографа лягушачьим носом. Я следил за удерживанием различных одорантов, как на обычной колонке для газовой хроматографии. Я заменил колонку лягушачьим носом, и мы обнаружили, что они почти идентичны». Мозель анализировал различия сорбции веществ, связанные с такими особенностями молекул, как растворимость в жирах и в воде. Он так и не закончил формулировать свою теорию, однако она сильно повлияла на изучение динамики воздушных путей и потоков в носовых ходах.

В 1970-е годы к исследованиям обоняния подключились несколько физиологов. Это была неизведанная территория, хотя и не обещавшая быстрого прогресса. Активизация биологических исследований привела к изменениям в их научном сообществе. И это изменение было не только экспериментальным, но и социальным.

Современная наука о запахах возникла в сравнительно небольшой группе чрезвычайно заинтересованных людей, часто находивших друг друга вне основного собрания ученых на больших научных конференциях, таких как исследовательская группа по химическим чувствам при Американском обществе нейробиологов, или на более специализированных встречах наподобие Гордоновских конференций (они проходят раз в три года и посвящены обонятельному и вкусовому распознаванию химических стимулов). В конце 1970-х годов прошли первые специализированные мероприятия по химическому распознаванию: ежегодная конференция Европейской организации хеморецепторных исследований (ECRO) и проходящий раз в три года Международный симпозиум по обонянию и вкусу (ISOT). «Однако ни одно из них на самом деле не собирало всех, – вспоминает Мозель. – Поскольку психологи посещали конференции по психологии, физиологи посещали конференции по физиологии… и были Гордоновские конференции раз в три года. Но этих людей можно было увидеть нечасто. И поэтому постоянно говорилось, что нам нужна какая-то ежегодная встреча по обонянию, но никто и никогда почти ничего для этого не делал».

К реальным изменениям привела необходимость. В конце 1970-х Национальный научный фонд (NSF) США сократил финансирование, причем значительно. Тем, кто занимался зрением, не стоило беспокоиться по этому поводу, так как их тематика была актуальна в быстро развивающейся сфере нейробиологии. Но финансирование исследований обоняния никогда не было ни стабильным, ни гарантированным. Они едва-едва поддерживались. Североамериканским ученым была нужна организация, которая могла бы найти средства.

«Я работал в Национальном научном фонде, и один парень все время говорил мне: “вы в области обоняния не так уж много выяснили по сравнению с теми, кто исследует зрение и слух”. Он очень меня этим раздражал. Но он был прав, поскольку в то время мы знали очень мало. Мы знали, что молекулы несут запах, но больше почти ничего. Итак, мы [в этой области] продолжали разговаривать, когда встречались на конференциях по физиологии. Мы должны были что-то сделать. Мы были обязаны что-то сделать. Но потом NIH (Национальный институт здравоохранения) и NSF кое-что предприняли». Изменилась политика финансирования. Для изучения обоняния требовалась материальная поддержка. «Возникла идея, что нам тоже следует организовать общество, которое могло бы вести переговоры с NIH и NSF и представлять ведущиеся в США исследования».

Так родилась Ассоциация хеморецептивных наук (AChemS). «До AChemS не было общества, которое сводило бы их вместе, – вспоминает Экри. – Замечательное событие, случившееся при моей жизни: оно позволило этим областям развиваться параллельно внутри структуры сообщества». Это была обычная платформа для сравнения экспериментальных данных и обмена идеями. Короче говоря, AChemS, наряду с ECRO, обеспечила определенную связь и преемственность в сообществе ученых, что способствовало ускорению исследований. Мозель отмечал, что это сообщество было сравнительно небольшим: «AChemS объединяла около пятисот членов. Исследование зрения объединяло миллионы». Сегодня AChemS – официальная организация, в 2018 году ее конференция проводилась в сороковой раз. «Если бы NIH и NSF не решили, что больше денег должно доставаться зрению и слуху, а не химическим чувствам, возможно, мы никогда бы не стали организацией!» – смеется Мозель.

В конце 1970-х и в начале 1980-х годов данная область исследований наконец сформировалась. Обоняние уже не было исключительно полем деятельности химиков, открыв двери и для биологов. В 1980-х годах началось систематическое изучение молекулярных основ обоняния. Результаты показывали, что определение запаха происходит по тому же молекулярному пути, что и определение стимулов в других сенсорных системах. Внешняя информация от стимулов (фотонов, звуковых волн или молекул воздуха) в чувствительных нервах превращается в электрические сигналы. Отвечает за эти превращения путь с участием вторичных мессенджеров – каскад биохимических реакций, который в разных молекулярных формах постепенно вырисовывался благодаря работам нескольких биохимиков, генетиков и нейробиологов. Нейробиолог из Колумбийского университета Стюарт Фаерштейн вспоминает: «В исследованиях обоняния имело место невероятное тяготение к молекулярной биологии… В частности, я имею в виду Рэнди Рида из Университета Хопкинса, Хана Брира из Германии, Дорона Лэнсета из Израиля, Габриэля Роннетта и некоторых других людей, которые выполнили большую часть клеточной и молекулярно-биологической работы по обонянию и которые действительно открыли всю систему передачи сигнала. Это было до того, как дошли до рецепторов; в то время вопрос был чуть легче разрешимым».

Эти открытия развенчали идею о том, что чувство обоняния является чем-то принципиально иным. «Вначале, когда я только вошел в эту сферу исследований, – вспоминает нейробиолог из Йельского университета и бывший наставник Фаерштейна Гордон Шеферд, – обоняние оставалось в стороне ото всего. Никто ничего не знал. Когда они начали работать, все казалось другим. Поскольку вы не можете себе представить, что такое обонятельный стимул, вам трудно его контролировать… Вы не знаете, что происходит в мозге. Люди считали, что обоняние является чем-то особенным, что оно другое. В области зрения были выполнены революционные работы, и было принято считать, что зрение – главное чувство, а обоняние – второстепенное». С ростом понимания общих механизмов молекулярных коммуникаций резонно было предположить, что запахи следует рассматривать в свете тех же основных принципов, которые управляют другими сенсорными процессами. Это понимание способствовало перемещению исследований обоняния из почти маргинальной ниши ближе к основным научным направлениям. И их дополнительному ускорению. Ключевым, но пока отсутствовавшим элементом паззла были мембранные рецепторы, открывавшие двери в мир молекулярных превращений.

Прошло еще десятилетие, прежде чем усилия ученых по-настоящему оправдались. В 1991 году после долгожданного открытия Линдой Бак и Ричардом Акселем обонятельных рецепторов исследования обоняния наконец сорвали джекпот. Невероятный джекпот. Фактически мгновенно это открытие вывело обоняние из тени на солнечный свет.

Какие бы другие истории мы не рассказывали, современная наука о запахах очевидным образом распадается на два периода: до и после открытия рецепторов. Можно задуматься, вовремя ли произошло это открытие. Нейробиолог из университета Джонса Хопкинса Рэндалл Рид рассуждает так: «Я думаю, самая большая опасность для этой области была бы в том, что оставайся мы еще одно десятилетие без рецепторов, и люди стали бы уходить. Представьте себе, что было бы, скажи Линда: Я ухожу». Но она так не сделала.

И с этого начинается сегодняшняя история обоняния.

Глава 2. Современные исследования обоняния: на перепутье

Прорыв, обозначивший начало современной эры в исследованиях обоняния, произошел в 1991 году. Линда Бак и Ричард Аксель нашли то, что впоследствии оказалось самым крупным мультигенным семейством в геноме млекопитающих[98]. Это открытие не было случайным: Бак искала обонятельные рецепторы (ОР) на протяжении трех лет. Учитывая значительное разнообразие молекул запаха, она предполагала, что должно существовать достаточно большое семейство рецепторов, но не могла даже предположить, насколько огромным оно окажется.

Поначалу Бак обнаружила несколько разных рецепторов. И они не относились к какому-либо семейству. И в других лабораториях тоже не было положительных результатов. А три года без возможности опубликовать результаты – это долгий срок, особенно в начале научной карьеры. Но не стоит забывать о смелости Бак. Ее друг Стюарт Фаерштейн подчеркнул упорство Бак в хвалебной речи в ее адрес на лекции в Харвейском обществе:

Я несколько лет работал в области обоняния до того, пока хоть кто-то, за исключением Ричарда, впервые услышал о Линде Бак. Я ценю Линду, поскольку для меня она воплощение смелости в науке. Я всегда рассказываю о ней студентам. Она искала результат, который не был бы полуфабрикатом и не имел бы альтернатив. Теперь Ричард, который сегодня здесь и заплатил по счетам, стал поддерживать работу и понял, насколько это важно. Однако если бы кто-то другой в какой-то другой лаборатории обнаружил ОР, он не оставался бы в тени. Но для Линды – постдокторанта на протяжении какого-то немыслимого количества лет – это была высокая ставка. Она сильно рисковала, в том числе, возможно, всей своей научной карьерой. В нынешних условиях, благоприятствующих трансляционным исследованиям с лицензионными выплатами и попыткам делать что-то «полезное», трудно найти примеры такой научной смелости. Линда напоминает нам, как важна смелость[99].

Ричард Аксель вспоминает момент, когда Бак вошла к нему в кабинет с результатами: «Она разработала очень разумную схему, и у нее получилось. Когда она показала мне результаты, я какое-то время молчал, поскольку все это начало разворачиваться у меня в голове».

Количественным показателем важности открытия является индекс цитирования. За 30 лет, предшествовавших открытию Бак и Акселя, ключевые слова «запах» и «обонятельный рецептор» встречались в 295 научных статьях; за первые пять лет после опубликования их работы это число составило 406, а за последующие 23 года оно выросло до 4037. Исходная публикация была выбрана для серии аннотированных исследовательских работ в журнале Cell, отмечавшей фундаментальные открытия в биологии за последние 40 лет[100]. В 2004 году Бак и Аксель были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине[101]. Обоняние – второстепенное направление в истории науки – взлетело до уровня важнейших научных исследований.

Нобелевский нос

Что же такого особенного в обонятельных рецепторах? И почему их открытие заложило основы современной нейробиологии обоняния? Есть три причины, объясняющие значение этих рецепторов: их количество, способ их открытия и их экспериментальная роль, обеспечившая систематический доступ к обонятельной функции мозга.

Обширное семейство обонятельных рецепторов относится к еще более крупному семейству белков – так называемому семейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs). GPCRs – надсемейство трансмембранных белков, задействованных в целом спектре важных биологических процессов, таких как зрение, регуляция иммунного ответа и обнаружение нейромедиаторов. Теперь мы знаем, что гены белков этого семейства составляют около 10 % генома млекопитающих. Однако значение этого семейства генов стало проявляться уже в конце 1980-х годов, когда молекулярный биолог Роберт Лефковиц из Университета Дьюка сообщил, что рецепторы адреналина и родопсин[102] имеют ряд общих высокоспецифичных структурных мотивов и могут быть частью более объемного семейства рецепторов[103]. Многие ученые надеялись, что обонятельные рецепторы, такие как GPCRs, позволят сделать несколько интересных генетических открытий. Эти надежды не просто оправдались – реальность превзошла их.

Благодаря принадлежности обонятельных рецепторов к этому семейству исследование обоняния стало одним из важнейших научных направлений. Структурные и функциональные характеристики обонятельных рецепторов сделали их великолепным образцом для исследований GPCRs. Оказалось, что к этому семейству относятся примерно тысяча белков у мыши и четыре сотни – у человека, что было выше всех все ожиданий. Для сравнения, самое крупное семейство GPCRs после обонятельных рецепторов – семейство рецепторов серотонина, и их число куда менее внушительно: тогда было известно чуть меньше дюжины, сейчас – пятнадцать. Другим интересным открытием, касающимся генетических характеристик только что обнаруженных рецепторов, было то, что они имели несколько важных аминокислотных мотивов, которые были и у других членов надсемейства. Кроме того, обонятельные рецепторы обладали дополнительными мотивами, общими для всех представителей семейства, но при этом чрезвычайно разнообразными. Иными словами, обонятельные рецепторы по функции и структуре отражали самые характерные свойства GPCRs, только в меньшем масштабе, и составляли при этом отдельное семейство. Учитывая, что примерно половина современных исследований по созданию лекарственных препаратов связана с воздействием на GPCRs, значение расшифровки молекулярного кода обонятельных рецепторов выходит далеко за пределы носа. На молекулярном уровне определение запахов не является чем-то особенным. Это простая модель[104].

Кроме того, генетический интерес к обонятельным рецепторам был связан со способом их обнаружения. Обоняние стало признанной частью основных направлений исследований в нейробиологии, поскольку доказало возможность успешного применения важнейшей генетической методики и даже расширило ее применение.

Гениальность Бак отразилась в методологии ее экспериментов, основанной на необычном применении полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод ПЦР использует естественный процесс репликации ДНК, в котором участвует фермент полимераза, синтезирующий копию нити ДНК с использованием пары праймеров. Праймеры – это короткие последовательности нуклеотидов, связывающиеся комплементарным образом с определенными участками геномных последовательностей. Эту процедуру можно воспроизвести многократно, повторяя реакционный цикл и получая искомые фрагменты генома в экспоненциально возрастающем количестве. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет решать проблему недостатка генетического материала.

Немногие технологии оказали такое революционное влияние на науку, как метод ПЦР. Это изобретение Кэри Муллиса, удостоенного Нобелевской премии по химии в 1993 году, «буквально разделило биологию на две эпохи – до ПЦР и после ПЦР»[105]. В период, когда Бак защитила диссертацию и начала работать, ПЦР был сравнительно новым инструментом. «Я была очень возбуждена, когда выходили статьи с описанием ПЦР, – вспоминала Бак. – Я думала, что ПЦР откроет двери ко многим вещам. Как чудесное лекарство для микробиологических целей! Только подумайте, что позволил сделать первый микроскоп; люди могли смотреть и могли видеть. А для меня самое главное – это видеть!»

На первых этапах развития любой новой технологии возникают многочисленные проблемы с подбором материалов и определением ограничений метода. В то время не было очевидно, что ПЦР – лучший инструмент для обнаружения неизвестного семейства генов. Метод основан на естественном механизме копирования и амплификации (размножения) известных генетических образцов и позволяет получать достаточное количество материала для крупномасштабных генетических исследований. Но важное исходное условие для проведения ПЦР в том, что геномная последовательность, которую собираются размножать, уже известна хотя бы отчасти; однако в то время не были выявлены никакие геномные последовательности обонятельных рецепторов.

Бак совместила два варианта ПЦР. Как в рыбацкой сети, она использовала сочетание различающихся генетических фрагментов (называемых вырожденными праймерами) для связывания и копирования целого спектра разных, но имеющих достаточную степень сходства геномных последовательностей. Праймеры для ПЦР называют вырожденными, когда в некоторых положениях в их последовательности располагаются разные основания: «например, в праймере GG(CG)A(CTG)A в третьей позиции стоит либо C, либо G, а в пятой – либо C, либо T, либо G»[106]. Степень вырожденности праймера определяет количество таких специфических последовательностей (в данном примере их шесть). Таким образом, вырожденные праймеры менее специфичны и позволяют амплифицировать родственные, но различающиеся генетические последовательности.

«Для вырождения праймеров я собрала все известные последовательности [GPCRs], число которых было очень ограниченным, и сравнила их вручную. Затем я сконструировала вырожденные праймеры, которые позволяют амплифицировать любые из этих GPCRs за счет того, что уже являются гибридами». Далее Бак сделала еще один рискованный шаг: «Когда речь зашла об общих праймерах, я подумала, что это могут быть праймеры для GPCR, но, возможно, для рецепторов какого-то другого типа, например, для ядерных рецепторов. И поэтому я сконструировала общие праймеры не только для GPCRs, но также для семейства ядерных рецепторов».

Задача Бак была не в том, чтобы найти известные мотивы, общие для всех GPCRs. Ее комбинированная мозаика праймеров позволяла обнаружить частичное и перекрывающееся сходство между разными GPCRs. Но как узнать, нашли ли вы правильные гены? Вторая гениальная идея Бак – вместо ДНК использовать РНК. Этот выбор позволил ей получить генетический материал с разной молекулярной массой (концентрацией) и выбрать только самые тяжелые образцы! Вскоре использование вырожденных праймеров для ПЦР стало частью стандартного генетического протокола, например, для генетического сравнения организмов разных видов.

Идентификация генов рецепторов в конечном итоге дала ученым ключ к изучению обонятельного мозга. Это открытие выявило весьма специфический характер экспрессии генов в обонятельной системе, что обещало подарить прямой доступ к механизмам действия обонятельных нейронов. В каждом чувствительном нерве в эпителии носа экспрессируется один ген рецептора (то есть «обеспечивается появление в клетке продукта этого гена»). Следовательно, если экспериментатору удастся проследить признаки активации отдельного сенсорного нерва, он сможет непосредственно увидеть, где и как рецептор передает сигнал в мозг.

К концу XX века необходимые элементы для расшифровки механизмов обоняния уже были известны. В последующие два десятилетия несколько лабораторий включились в жесткую конкуренцию за расшифровку обонятельного кода. В 1990-х и 2000-х годах многие ученые верили, что обонятельный мозг скоро раскроет внутренние механизмы своей работы. Превалировало мнение, что обонятельная система, как и любая сенсорная система, для отражения стимулов использует нейронное пространство определенным топографическим образом. Но вопрос, как она это делает, оставался открытым. В отношении зрительной системы им уже занимались. И существовало множество причин, чтобы считать, что модель обонятельного мозга можно создать по аналогии с моделью зрительной системы.

Парадигма зрения и функциональная локализация

Нельзя не попасть под очарование зрительной системы. Задумайтесь на минуту: то, что вы обычно видите – это не то, на что «смотрят» клетки сетчатки. Зрение начинается с отдельных фотонов. Как регистрация фотонов вызывает формирование сложных зрительных образов, таких как человеческие лица?

Чтобы оценить работу зрительной системы, нужно признать важнейший принцип – клетки нашей зрительной системы действуют избирательно. Они не возбуждаются под влиянием любого стимула, но реагируют селективно на специфические признаки. Благодаря такой избирательности одиночные клетки объединяются в кластеры, а кластеры последовательно выстраиваются в сложный механизм извлечения сенсорной информации. И работает это весьма примечательным образом.

Зрение начинается с того, что фотоны, организованные в виде некоего энергетического рисунка, ударяют по рецепторам сетчатки (пока мы представляем себе это в виде двумерной пластинки в глубине глаза). Их сигнал передается по зрительному нерву – пучку нервных волокон, называемых аксонами, – к таламусу. Если сделать двусторонний срез головы позвоночного животного, таламус обнаружится непосредственно в центре мозга. Подобно ретранслятору в роутере, таламус собирает входящие сигналы от различных источников как сенсорной, так и моторной информации и передает их в соответствующие отделы коры полушарий головного мозга. Здесь сигнал от сетчатки идет через зрительный отдел таламуса – латеральное коленчатое тело. Далее эта информация отправляется в заднюю часть головы, где находится зрительная кора. Зрительная кора состоит из нескольких частей, определяющих ее функциональные подразделения. Главные сигналы от таламуса проецируются в первичную зрительную кору, также называемую зоной V1, или полосатой корой. Отсюда сигналы распространяются в несколько зон зрительной коры более высокого уровня (связанных со специализированными функциями, такими как движение, определение направления или обработка цвета)[107].

Исследования зрения находятся в полном расцвете, поэтому данная схема зрительного пути – крайне упрощенная. Изучающая зрение нейробиолог Айна Пьюс из Индианского университета в Блумингтоне добавляет, что способность видеть не объясняется примитивной моделью сетчатка—таламус—зона V1: «Конечно же, есть альтернативный путь, ведущий к подушке таламуса, верхнему бугорку и экстрастриарной коре, минуя зону V1. Благодаря этому пути реализуется феномен слепозрения[108]!»

Фундаментальным принципом зрительного пути является его способ получения сигнала извне. Зрительная кора работает на так называемых ретинотопических картах. Они обозначают области коры, соответствующие определенным областям сетчатки: когда мы наблюдаем за активностью коры, эти карты помогают точно определить, из какой части сетчатки приходит сигнал. И наоборот, когда мы исследуем сетчатку, мы видим, в какую точку коры проецируется сигнал. Наглядный пример этого принципа – центральная ямка, важнейшее место сетчатки, в которой наше зрение наиболее остро благодаря наивысшей концентрации колбочек (чувствительных к цвету рецепторов, реагирующих на источники света высокой интенсивности). Сигналы от центральной ямки приходят к определенному участку в зоне V1. Имея точку отсчета, мы можем нанести на карту других отделов первичной зрительной коры входные сигналы от соседних клеток сетчатки, ответственных за периферическое зрение. При такой организации принимаемые сетчаткой сигналы отражаются в виде картины возбуждения нейронов. Поскольку эта идея – ядро сенсорной нейробиологии, по-прежнему направляющей развитие современных исследований в области обоняния, необходимо обсудить ее исторический аспект и технические подробности.

На протяжении первой половины XX века многих ученых, изучавших мозг, волновала загадка: как информация от внешнего источника света кодируется на разных этапах зрительного пути? Зрительная система представляет данные в форме пространственных и временных картин, которые можно зарегистрировать по возбуждению нейронов. Вопрос в том, как система различает и интегрирует эти картины для создания единого зрительного образа.

Отправным моментом для решения этой загадки послужила серия революционных экспериментов[109]. В конце 1950-х годов Дэвид Хьюбел и Торстон Визель, два молодых исследователя из Университета Джонса Хопкинса, зарегистрировали электрические сигналы отдельных клеток зрительной коры кошки. Они встроили микроэлектрод в зону V1 в задней части ее головы и записывали ответы на некоторые световые стимулы, появлявшиеся на экране. Как часто бывает с котами, поначалу почти ничего не происходило. Ни находящееся под наркозом животное, ни его корковые клетки заметным образом не реагировали на изображения на экране. На этом эксперимент мог бы закончиться, если бы не одна счастливая случайность, столь характерная для важнейших событий в истории науки. Хьюбел и Визель подавали стимулы с помощью проектора и прозрачных стеклянных слайдов с черными и белыми пятнами. История гласит, что в тот день после многих часов безрезультатных экспериментов они начали укладывать оборудование, как вдруг микроэлектрод в голове кота выдал звук клеточной активности, напоминавший быструю пулеметную очередь.

Несколько часов ушло на то, чтобы понять причины произошедшего. Стеклянный слайд, который они использовали, был грязным по краям. Когда он сполз с проектора, на экране возникла тонкая линия, а не пятно. Продолжая эксперимент, Хьюбел и Визель обнаружили кое-что еще. Клетки полосатого тела не просто реагировали на линии, но также, по-видимому, предпочитали линии в определенной ориентации. Более того, и это особенно важно, клетки, обозначающие склонность к конкретной ориентации, формировали группы.

То, что мы видим – не пассивное отражение внешнего мира. Как выяснилось, визуальные образы представляют собой конструкты, созданные нашей сенсорной системой. Хьюбел и Визель опубликовали свои результаты в виде серии из трех статей и именно за них в 1981 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине.

Хьюбел и Визель внесли двойной вклад в развитие нейробиологии. В первую очередь их открытия уладили длительный конфликт между двумя основными теориями функционирования мозга[110]. Одна теория постулирует, что любой ментальный процесс более или менее равномерно распределен по всему мозгу или по крайней мере вовлекает большинство его областей. Эта идея известна как концепция эквипотенциальности мозга. Она доминировала в XIX веке, а ее самыми известными сторонниками были французский физиолог Жан-Пьер Флуранс и швейцарский анатом Альбрехт фон Галлер. Несмотря на накапливавшиеся несоответствия, эта теория продолжала влиять на исследования нейронных и психологических механизмов мозга на протяжении всей первой половины XX века, что, например, проявилось в работе американского психолога и когнитивиста Карла Лешли.

Альтернативная теория функциональной локализации предполагала наличие в мозге выраженных анатомических участков, соответствующих физиологическим функциям и ментальным возможностям. Одним из первых сторонников этой теории был шведский ученый XVIII века Эммануил Сведенборг. Идея локализации получила распространение в форме френологии, которую в XIX веке горячо пропагандировал немецкий нейроанатом Франц Йозеф Галль. Поначалу к этой идее относились скептически. Однако дальнейшие наблюдения, особенно эксперименты с повреждениями мозга, подтверждали идею, что некоторые сенсорные и когнитивные функции связаны с активностью специфических участков мозга. Это предположение дополнительно укрепилось благодаря исследованиям таких выдающихся ученых, как французский врач Поль Брока и шотландский невролог Дэвид Ферриер.

Поворотный момент произошел на заре нового столетия с появлением метода Гольджи, названного по имени его изобретателя итальянского врача Камилло Гольджи. Этот элегантный метод окрашивания показал, что мозг – не однородная субстанция, а сложная и запутанная конструкция из отдельных нервных клеток и слоев. Ситуация оказалась достаточно забавной, поскольку сам Гольджи горячо отстаивал противоположную точку зрения. Он полагал, что весь мозг представляет собой синцитий – единую массу ткани с общей цитоплазмой. Его противостояние с нейронной доктриной Рамон-и-Кахаля стало легендой. Изображения, полученные с помощью метода Гольджи, обеспечили важнейшее понимание анатомического строения мозга. Открытия Хьюбела и Визеля представили необходимые доказательства для определения точного функционального разделения этих клеточных слоев.

Второй аспект открытия Хьюбела и Визеля по значимости даже превосходит первый. Их исследования открыли широкий новый путь для моделирования нейронных механизмов обработки сенсорных сигналов, что было вполне в духе времени. В период работы Хьюбела и Визеля важнейшей концепцией, привлекавшей в биологических науках огромное внимание, была концепция информации. В нескольких направлениях исследований, особенно в генетике, но также и в изучении сенсорных путей, возникло представление, что биологические системы действуют подобно кодирующим информацию машинам. Открытие Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком и в определенной степени Розалинд Франклин в 1954[111] году двойной спирали ДНК подтвердило, что чрезвычайно важно говорить об информации в биологических терминах. Идею подхватили кибернетические исследования биологических систем, возглавленные Норбертом Винером, Уолтером Питтсом и другими[112]. В этом контексте встал вопрос: какая информация передается сенсорными системами? Каковы принципы устройства кодирующих систем, благодаря которым информация передается от первичных органов чувств, например, глаз, к мозгу?

В начале 1950-х годов Штефан Куффлер, в чьей лаборатории в Университете Джонса Хопкинса работали Хьюбел и Визель, показал, что первый этап кодирования зрительной информации осуществляется уже в сетчатке[113]. Это было важное открытие, поскольку оно означало, что глаз не просто регистрирует, но активно отбирает и организует световые картины. Выводы Куффлера согласовывались с другими данными, полученными его современниками, в частности, со знаменитой публикацией Джерома Леттвина 1959 года с великолепным названием «Что глаз лягушки говорит мозгу лягушки»[114]. Ключ, который Куффлер вручил Хьюбелу и Визелю – концепция рецептивного поля нейронов. Рецептивное поле – это набор световых стимулов с определенным положением в пространстве, на который реагируют клетки сетчатки.

Исследования Куффлера показали, что клетки сетчатки выводят зрительный сигнал как бы кругами благодаря их организации по принципу «центр-периферия». Некоторые клетки реагируют на световую энергию более активно. Такие возбуждающиеся клетки окружают другие клетки, которые на стимуляцию отвечают торможением. Эти круговые образования помечаются как «on-центр». Другие группы клеток, построенные противоположным образом, маркируются как «off-центр»: в середине располагаются тормозящие клетки, а возбуждающиеся – вокруг них. В каком-то смысле мир, который передают наши глаза, состоит из темных и светлых пятен. Понятное дело, это не то, что мы видим. Как из круговерти черных и белых пятен мы получаем четкое изображение предметов?

Именно эту загадку пытались разгадать Хьюбел и Визель в экспериментах на коре мозга кошки. Они обнаружили, что в корковых клетках мозга кошки происходит узкоспециализированная иерархическая интеграция. Чем выше уровень сенсорной обработки, тем более избирательно реагируют клетки. За несколько этапов опосредованной синаптической передачи рецептивные поля черных и белых пятен в сетчатке превращаются в линии в первичной зрительной коре. Потом эти контуры собираются в изогнутые линии и т. д. Идя от первичной зрительной коры к высшим корковым областям зрительной системы, мы наблюдаем переход от так называемых простых клеток (чувствительных к ориентации) к сложным клеткам (чувствительным к движению) и гиперсложным клеткам, или «клеткам с концевым торможением» (чувствительным к длине линии). Избирательность клеток по отношению к сигналу растет в соответствии с усложнением возникающего изображения.

Это открытие подтверждало гипотезу: мозг воспринимает информацию за счет сигналов от специализированных групп клеток, а не за счет равномерного вклада всех нейронов. Появилось понимание, что мозг работает благодаря последовательной и иерархической организации нейронных кластеров. Обнаружение такой упорядоченной и последовательной обработки информации позволило сформировать представление о схеме ее передачи и поднять вопросы о том, что и как вычисляет мозг.

Вычислительная концепция, внедренная в исследования передачи нейронных сигналов, оказала серьезное влияние на зарождавшееся направление нейробиологии. Она позволила разделить процесс обработки сенсорных сигналов на несколько этапов хотя бы умозрительно и анализировать их относительно независимо. Это способствовало теоретическому пониманию отдельных этапов обработки сигнала в процессе восприятия, которое не зависело от случайных открытий, сделанных при изучении одной только нейронной структуры.

Схема мозговой топографии

Победа зрительной системы как основы сенсорной нейробиологии объясняется ее нейронной архитектурой. Внешняя упорядоченность обработки данных тщательно, до мелочей переплетена с физической организацией. Весь путь зрительного сигнала приводится в действие последовательно связанными группами или популяциями нейронов, образующими нейронные карты, и в основе этих связей лежит строгий топологический принцип. Понятием, легшим в основу топологической интерпретации нейронной специализации коры, стала колонка[115].

Кортикальными колонками называют вертикальные наборы (столбцы) клеток, реагирующих на одни и те же виды стимулов. Действием зрительной системы управляют два типа такой клеточной специализации – колонки доминирования одного из глаз и колонки ориентации. Подобно ломтикам хлеба колонки окулярного доминирования поддерживают разделение сигналов от левого и правого глаза, начиная от сетчатки и далее через чередующиеся слои латерального коленчатого тела в таламусе вплоть до коры. Следовательно, подключив микроэлектрод к коре, можно понять, из какого глаза она получает сигнал. Если двигать электрод в горизонтальном направлении вдоль поверхности коры, регистрируемый сигнал изменяется последовательно с постоянными интервалами между левым и правым глазом – картинка несколько напоминает шахматную доску. Если же микроэлектрод подключен перпендикулярно поверхности, происходит регистрация сигнала от одного глаза – левого или правого.

Другой тип колоночной структуры определяется клетками, чувствительными к ориентации. Как мы уже обсуждали, кортикальные клетки очень избирательны в отношении светового контраста линий. Эти специфичные клетки образуют регулярные группы, расположенные в удивительно строгом порядке: «каждый раз, когда электрод продвигается на 0,05 мм (50 мкм), в среднем предпочтительная ориентация изменяется примерно на 10 градусов по часовой стрелке или против часовой стрелки»[116]. Таким образом соседнее анатомическое расположение клеток отражает пространственное соседство точек, от которых поступают сигналы.

Идея анатомически обособленных функциональных единиц возникла в результате важнейших открытий в соматосенсорной коре. С помощью нейрохирургических манипуляций в мозге были обнаружены локально разграниченные области. Например, электрическая стимуляция специфических участков сенсомоторной коры может вызывать покалывание в ступнях, а стимуляция другого участка блокирует движение руки. Первым в этом направлении стало исследование нейрохирурга Уайлдера Пенфилда из Макгиллского университета в Канаде. В 1930-х годах Пенфилд отметил функциональные зоны поверхности мозга на идеализированной человеческой модели. Эта идея успешно объединила принципы нейрофизиологии и практику нейрохирургии.

В 1950-х годах Вернон Маунткасл из Университета Джонса Хопкинса провел детальное нейрофизиологическое исследование рецептивных полей соматосенсорной коры. Маунткасл отстаивал идею ее колоночной организации. По его мнению, колонки специализировались на отражении различных характеристик стимулов, таких как прикосновение, нажатие или положение частей тела в пространстве. Эта идея была непростой для восприятия. Поначалу ее яростно опровергали (настолько яростно, что соавторы просили убрать их имена из исходной публикации 1957 года)[117].

Наблюдения Маунткасла подтолкнули воображение Хьюбела и Визеля. Их открытия в коре кошачьего мозга узаконили разговоры о кортикальных колонках. Вскоре аналогичные признаки контикальных колонок были обнаружены при исследовании слуховой системы. Конечно, австрийский невролог Константин Фрейхер фон Экономо предположил существование колонок клеток в первичной слуховой коре еще в 1929 году, однако физиологические доказательства стали появляться только с 1965 года[118]. Обнаружение кортикальных колонок стимулировало поиски единой модели обработки сигналов нейронами, хотя значение этих колонок продолжает оставаться спорным[119].

Становление нейробиологии как науки происходило параллельно с развитием топологического моделирования. Этот процесс ускорился благодаря технологическим прорывам в разработке методов визуализации, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) в 1980-х годах (с возможностью наблюдать за пространственной обработкой данных) и двухфотонная визуализация кальциевых сигналов в 2000-х годах. Основу этого бурно развивающегося направления составляют три понятия.

Первое – информация, вычислительная организация сенсорных сигналов. В качестве иллюстрации можно рассмотреть зрительные сигналы, трансформируемые в нейронные сообщения рецептивными полями клеток, что определяет диапазон входящих сигналов, о которых клетка сообщает другим клеткам. Важнейшую роль в создании рецептивных полей сенсорной системы играют процессы возбуждения и торможения. Одна из функций этих взаимодополняющих клеточных механизмов – в повышении четкости рецептивных полей и возбуждении колебаний коры головного мозга (соответствующих состоянию функциональных сетей; см. главу 8)[120].

Такое понимание информации строится на другом ключевом понятии – понятии обработки данных, процесса, благодаря которому сигналы нейронов создают информационные картины. Содержание и функцию сенсорной информации нельзя интерпретировать, не учитывая соответствующий рисунок нейронных связей.

Третье важнейшее понятие для топографического представления – локализация, модульная организации более или менее обособленных функциональных единиц. Мы уже упоминали, что в зрительной системе клетки собраны в кластеры, которые избирательно реагируют на сходные характеристики стимулов. Наиболее яркое проявление топологических связей между специализированными группами – ретинотопические карты, участки первичной зрительной коры, соответствующие участкам сетчатки.

Топографические проекции в сенсомоторную и сенсорную кору подтверждают идею о том, что мозг работает по общим принципам. Парадигма нейронной топографии в значительной степени строилась на иерархической организации зрительной системы, удобной для вычислительных моделей.

От обонятельного нерва к обонятельному мозгу

Как нейронное картирование зрительной системы стало применяться к обонятельной? Параллели со зрительной системой были проведены уже при открытии рецепторов. Выявление механизма вторичных мессенджеров и рецепторов в обонятельной системе во многом опиралось на передовые знания о передаче сигнала в зрительной системе и изучение зрительного пигмента родопсина, выполняющего функцию рецептора на поверхности клетки. Ожидалось, что дальнейшее моделирование по аналогичному принципу приведет к прогрессу, а после выявления зрительного рецептора – к обнаружению чего-то вроде «носового кода». Знание такого кода казалось необходимым для изучения взаимосвязей между поведением нейронов и запахом. Поэтому первым делом требовалось найти рецептивные поля недавно обнаруженного семейства трансмембранных белков. Ученые полагали, что эти поля объяснят, какие характеристики молекул система выделяет, собирает и представляет в виде топологических карт.

Однако надежды не оправдались. Сложность молекулярного механизма обоняния превзошла все ожидания. Мало того что размер семейства рецепторов превышал размер всех ранее обнаруженных семейств – как сообщили Бак и ее постдокторант Беттина Малник в 1999 году, эти рецепторы действовали за счет комбинаторного кодирования[121]. Каждый обонятельный рецептор отвечал не только на специфический лиганд или группу однотипных лигандов, таких как молекулы мускуса с кольцевой структурой. Оказалось, что один рецептор этого семейства может узнавать целый спектр молекул с разными характеристиками, и наоборот, одна молекула может связываться с несколькими рецепторами с разным молекулярным строением. Число возможных взаимодействий с раздражителями было гигантским. Кроме того, при таком развороте существование «первичных запахов» оказывалось маловероятным[122]. Идея строилась на аналогии с первичными цветами в зрительной системе, где небольшой набор цветов отвечает за свойства и диапазон их смесей. Однако из-за комбинаторного кодирования идея ограниченного числа первичных запахов оказывалась бессмысленной.

Но комбинаторное кодирование было лишь частью проблемы. Другая сложность заключалась в чувствительности обонятельных рецепторов, в частности, в характере их экспрессии в клетках. Иллюстрирует эту проблему одна редко упоминаемая деталь открытия Бак и Акселя. Строго говоря, в 1991 году Бак и Аксель не показали, что найденное ими обширное семейство генов действительно отвечает за экспрессию обонятельных рецепторов. В заголовке статьи «Новое мультигенное семейство может кодировать рецепторы запаха: Молекулярные основы распознавания запахов» Бак и Аксель не скромничали; они намеренно использовали модальный глагол «может». Кажется очевидным, что обнаруженные Бак и Акселем гены должны быть генами обонятельных рецепторов, но им не хватало неопровержимых доказательств. Стандартным методом для идентификации функции генов этого семейства была бы гетерологичная экспрессия: встроить исследуемые гены в необонятельные клетки, такие как клетки дрожжей, чтобы клетки могли синтезировать рецепторные белки, а затем проверить реакцию на различные одоранты, на которые в норме эти клетки не реагируют.

Но такая простая с виду стратегия оказалась чрезвычайно сложной. Гены обонятельных рецепторов с большим трудом удавалось ввести в какие-либо другие клетки, кроме обонятельных нервов. На эту работу ушло полтора десятка лет. Все же в 1998 году Стюарт Фаерштейн и его бывший аспирант Хайцин Чжао нашли хитрый способ обойти это препятствие[123]. Фаерштейн так рассказывает о том, что придумал Чжао: «Однажды он вбежал в мой кабинет и сказал: “Я знаю, какие клетки мы можем использовать для экспрессии обонятельных генов. Обонятельные нейроны!”» Фаерштейн немедленно указал на сложность положения, поскольку «в этом-то и проблема: обонятельные нейроны всегда были единственными клетками, в которых экспрессировались гены этих рецепторов». Поскольку в клетках мышиного эпителия тысячи таких генов, как можно с уверенностью сказать, что продукт какого-то отдельного гена особым образом реагирует на конкретный запах? Иными словами, казалось невозможным узнать, что именно X – а не любой – так реагировал на Y.

Однако Чжао и Фаерштейн превратили проблему в решение. Поскольку гены обонятельных рецепторов экспрессируются только в обонятельных нейронах, исследователи решили использовать именно обонятельные нейроны для усиления экспрессии одного гена рецептора, чтобы определить диапазон связывания. Они заразили эпителий крысы вирусом, несущим один выделенный ген рецептора. Эта инфекция привела к усилению экспрессии одного специфического гена, что увеличило долю этого рецептора в эпителии с 1 % до 30 %. В результате любой лиганд, который возбуждал этот рецептор (теперь его называют крысиным обонятельным рецептором I7), приводил к непропорционально сильному ответу, что позволило определить диапазон связывания[124]. Эксперимент подтвердил идею. Но процедура была слишком трудоемкой и длительной, чтобы применить ее к тысяче с лишним генов и сотням тысяч лигандов. Экспрессия рецепторов до сих пор остается трудным делом. Хироаки Мацунами из Дьюкского университета, который раньше работал с Бак, впервые добился гетерологичной экспрессии рецепторов запаха только в 2011 году[125]. Мацунами интересовался деорфанизацией рецепторов (определением того, с какими молекулами запаха взаимодействует конкретный рецептор). А в 2014 году Джоэль Мейнленд в Центре химических чувств Монелла усовершенствовал метод Мацунами для осуществления первой экспрессии генов человеческих обонятельных рецепторов[126]. Надежда на расшифровку кода запахов ослабела, но не исчезла.

А вскоре стало понятно другое. Кодирование рецепторов носового эпителия отличалось от процессов в сетчатке: для начала там не работал принцип «центр-периферия». Кроме того, было непонятно, как могла бы выглядеть «карта запахов», аналогичная ретинотопической карте. В конечном итоге предположение о существовании «карты запахов» в эпителии так никогда и не подтвердилось. Поначалу в 1993 году Бак и Керри Ресслер обнаружили в эпителии некое подобие зон с разной экспрессией генов[127]. Однако в отличие от участков «центр-периферия» в зрительной системе, наличие таких зон не обеспечивало возникновение дискретных пространственных картин связывания рецепторов.

Быть может, карта формировалась на более поздних этапах? Очевидным кандидатом была обонятельная луковица – следующий пункт обонятельного пути. Кахаль уже выдвигал такое предположение: «Тщательное сравнение структуры, расположения и связей означенных [обонятельных] центров с аналогами в зрительной, тактильной и акустической системах позволяет признать, что обонятельная луковица гомологична сетчатке (не всей сетчатке, но внутреннему плексиформному слою, ганглионарному слою и [слою волокон зрительного нерва]), вентральному и латеральному [кохлеарным ядрам] продолговатого мозга и [ядрам дорсальных колонок]»[128].

Чтобы понять, что имел в виду Кахаль, давайте еще раз заглянем в глаз. В отличие от обонятельной информации, зрительная информация проходит через многочисленные синаптические связи и многие слои нейронов разных типов, пока не достигнет коры мозга. Только в сетчатке мы видим три слоя чувствительных нейронов, причем каждый выполняет особую функцию. В частности, в сетчатке есть два типа рецепторных клеток и четыре типа нейронов: биполярные, ганглионарные, горизонтальные и амакриновые клетки. В первом слое в глубине сетчатки мы различаем два типа рецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки имеют вытянутое строение, содержат пигмент одного вида и реагируют на переменное освещение (в том числе с низкой интенсивностью). Они отвечают за ночное видение. Колбочки значительно толще и обычно содержат пигменты одного из трех видов, которые резонируют со светом высокой интенсивности и облегчают цветовое зрение.

За этим первым слоем специализированных рецепторных клеток идет второй слой биполярных и горизонтальных клеток. Информация от нескольких рецепторных клеток собирается горизонтальными клетками и передается вытянутым биполярным клеткам, которые также могут принимать входной сигнал напрямую от клеток сетчатки.

В третьем слое сферические ганглионарные клетки сетчатки продолжают собирать информацию от биполярных клеток, а затем отсылать ее из сетчатки по зрительному нерву. Слой амакриновых клеток, аналогичных горизонтальным клеткам, частично служит посредником при передаче информации между биполярными и ганглионарными клетками. Задача такой многоэтапной обработки информации – в улучшении разрешения рецептивных полей, причем при передаче сигнала сохраняется структура «центр – периферия». Прогулка по такому многовидовому лесу взаимосвязанных клеток позволяет дополнительно оценить простоту обонятельной системы, содержащей всего два синапса.

Анатомия обонятельной луковицы поразительно схожа с анатомией зрительной системы. Луковица, как и сетчатка, выполняет свою функцию с помощью клеток разных типов, распределенных по нескольким слоям. В целом ее структура имеет следующий вид. Выходящие из эпителия обонятельные нервы сливаются между собой в так называемом гломерулярном слое (слое клубочков), состоящем из сферических нейронных структур, образующих первый (внешний) слой луковицы. Клубочки иннервированы клетками двух типов: митральными (получившими название за сходство с митрой – головным убором епископа) и более мелкими пучковыми. (Термин «иннервация» означает, что отростки этих клеток далее проводят сигнал в обонятельную кору, создавая первый синаптический контакт обонятельного пути.) Как и в рецепторах сетчатки, эти клубочки связаны между собой в горизонтальном направлении и обеспечивают латеральное торможение соседних клеток (то есть клетки могут ослаблять возбуждение соседних клеток). Если так смотреть, то строение обонятельной луковицы напоминает строение сетчатки как в анатомическом, так и в функциональном плане. Поначалу казалось, что эта гипотеза доказуема: Роберт Вассар и Аксель сообщили, что обнаружили в луковице пространственно дискретных и топологических картин активации стимула[129].

Существование карты луковицы не вызвало удивления по крайней мере у одного человека. Гордон Шеферд защищал идею топографической организации обонятельной луковицы еще до открытия рецепторов. «Я убедился, когда стало понятно, что в обонятельной луковице существует латеральное торможение и что мы имеем такие же электрофизиологические свойства, какие в моторных нейронах. Наконец мы нашли картины, создаваемые запахами, – важнейшее свойство, обнаруженное в соматосенсорной системе, зрительной системе, двигательной системе и т. д. Я думаю, это должно быть справедливо и для запахов». Шеферд считал, что «по сравнению со зрительными путями, которые начинаются в сетчатке и проходят через таламус до зрительной коры, обонятельные эквиваленты всех этих структур как бы сконцентрированы в обонятельной луковице»[130].

Однако в то время молекулярные биологи и физиологи не участвовали в общих дискуссиях и не читали одни и те же статьи. Поэтому, хотя открытие генов рецепторов Бак и Акселем привлекло к себе всеобщее внимание, при появлении первых теорий и проведении Шефердом первых экспериментов по изучению обонятельной системы в целом или луковицы в частности такого немедленно не произошло. В главе 1 мы говорили, что до 1990-х годов не существовало единого сообщества ученых, занимавшихся вопросами обоняния; скорее, это была междисциплинарная группа самых разных специалистов. Даже сегодня в исследованиях запаха продолжает наблюдаться некоторая разобщенность дисциплин.

Шеферд обнаружил локально распределенные картины активации нейронов в луковице в 1970-х годах, вдохновленный трудами английского физиолога сэра Эдгара Эдриана, работавшего в Кембридже в 1940-х и 1950-х годах[131]. Эдриан, удостоенный в 1932 году Нобелевской премии по физиологии, регистрировал возбуждение нейронов луковицы с помощью тонкой магнитной проволоки. Ответы на разные одоранты были выборочными: «По-видимому, молекулы ацетона вызывают возбуждение в основном во фронтальной части органа и в конкретной группе рецепторов в этой области, обладающей к ним специфической чувствительностью». Эдриан выяснил, что локальный рисунок активности зависел от дополнительных факторов, включая концентрацию стимула, однако при этом сохранял основной вид. «В результате электрофизиолог, глядя на серию таких записей, может идентифицировать конкретный запах, который вызывает каждый рисунок». Однако он же спешил добавить: «Мы не должны делать заключение, что мозг идентифицирует запах по такому же критерию».

Шеферд был знаком с Эдрианом: «Когда в 1962 году я заканчивал работу над диссертацией в Оксфорде, я посетил Эдриана, чтобы обсудить, как мои результаты соотносятся с его идеями относительно представления запахов в виде пространственной картины активности митральных клеток обонятельной луковицы. Какой механизм лежит в основе формирования этих пространственных картин? Я не помню подробностей нашей беседы, но помню его последний совет: “Взгляните на клубочки”»[132].

Шеферд продолжил работу с того места, где остановились Кахаль и Эдриан. Он использовал технологию получения изображений, которую незадолго до этого разработал биохимик Луис Соколофф. Этот метод с труднопроизносимым названием «2-дезоксиглюкозный» (2DG) заключается в мечении и последующем обнаружении клеток с помощью авторадиографии, что позволяет определять метаболическую активность в конкретных областях бодрствующего мозга. В 1975 году Шеферд и его постдокторант Джон Кауэр, работая с одним из создателей метода Фрэнком Шарпом, представили первые четкие изображения отдельных локальных картин активации луковицы[133].Выяснилось, что на уровне клубочков тоже возникали центры активности, и, по-видимому, существовала базовая схема обработки сигналов одорантов с разной концентрацией. Вскоре после этого в некоторых других лабораториях тоже начались поиски обонятельной карты, и группы (модули) клубочков стали считать функциональными эквивалентами рецептивных полей сетчатки (см. главу 7).

Как интерпретировать картины активации в луковице? Точнее, как обонятельная луковица превращает случайную активность эпителия в упорядоченную или систематическую карту? Нейрогенетик Питер Момбертс, работавший с Акселем, получил ответ на этот вопрос в 1996 году[134].

Момбертс с коллегами установили интересную генетическую особенность обонятельной системы. Вспомните, как при открытии рецепторов выяснилось, что все обонятельные нейроны чаще всего экспрессируют лишь по одному гену рецептора и, следовательно, синтезируют рецепторы лишь одного типа.

Таким образом в экспериментальном плане чувствительные нейроны служили возможной альтернативой в исследованиях функционального поведения рецепторов. Если идентифицированы лиганды, возбуждающие какой-то чувствительный нейрон, значит, идентифицированы лиганды, активирующие его рецептор. С помощью генетических маркеров можно проследить, с каким участком луковицы эти рецепторы сообщаются посредством соответствующих нервов. Именно это проделал Момбертс.

Он обнаружил, что нейроны, экспрессирующие ген одного и того же рецептора, сходятся в одном клубочке, где сигналы рецептора появляются в виде дискретных пространственных участков. Конвергенция чувствительных нейронов показывала, что при активации специфического диапазона рецепторов под действием какой-то молекулы этот сигнал создает в луковице дискретные участки активности.

Молекула мускуса вызывает не такую картину активации, как молекула с цитрусовым или фруктовым запахом, и каждый одорант вызывает уникальную картину активации, как отпечаток пальца[135].

Изучение рецептивных полей обонятельной системы переместилось из обонятельного эпителия в луковицу. Через 15 лет после открытия рецепторов нейробиология обоняния получила доступ к связям между рецепторами и мозгом.

Quo Vadis[136], обоняние?

В середине 2000-х годов казалось, что обонятельная система действует посредством топографической организации аналогично другим сенсорным системам. Ожидалось также, что пространственное распределение картин активации в луковице воспроизводится в обонятельной коре. На протяжении десятилетия ничто не противоречило этим предположениям. По крайней мере казалось, что фрагменты складываются в единую картину. Интуитивно менее понятным было, какая информация кодируется картой запахов.

Топография луковицы не позволяла выявить какую-то упорядоченность запахов. Что же на самом деле отражалось на этой карте? Какие свойства запахов были связаны с такими нейронными корреляциями? По-видимому, содержание нейронных карт соответствовало значимой модели сигнала, отражающего особенности окружения. Было понятно, как мозг использует нейронное пространство для кодирования окружающего пространства с помощью зрения, однако к запахам эта идея оказалась неприменима, что мы и обсудим на последующих страницах книги.

Почти любой ученый от теоретика и практика нейробиологии до молекулярного биолога и от нейрогенетика и сенсорного психолога до специалиста по химии запахов согласится, что проблемы обоняния пока еще далеки от разрешения.

Нейробиолог Джоэл Мейнленд рассказывал, как он начал работать в этой области: «Вы не знаете основ. Вы не знаете, как на самом деле работают рецепторы. Вы не знаете, как кодируется интенсивность. Все эти вещи известны для зрения. Существуют первичные цвета, и можно предсказать, какой цвет получится, если их смешать, но вы не можете сделать ничего подобного в отношении обоняния. Здесь оставалось множество открытых вопросов, которые выглядели объемными и важными, и потому область казалось близкой к идеалу для исследований».

Когнитивный психолог Йонас Олофссон из Стокгольмского университета так выразил необходимость поисков более качественной теории и экспериментальных данных: «Я думаю, что философское и психологическое понимание роли обоняния очень важно для интерпретации биологии, в том числе в качестве эволюционного биологического ответа. Обоняние зависит от локального окружения. Понимание свойств контекста, функциональных особенностей ситуации – без этого мы не сможем понять, какая биологическая активность развивается и почему».

«Что нас ограничивает теперь – данные или теория? – спрашивает нейроинформатик Рик Геркин из университета Аризоны. – В контексте машинного обучения мы определенно ограничены данными, поскольку модель машинного обучения вытягивает из данных все, что только возможно. Единственный способ ее улучшить – в получении дополнительных данных. Однако в теоретическом аспекте нам все еще не хватает теории. [Современная модель] не показывает, как работает обоняние. Так что, возможно, кто-нибудь сможет предложить элегантную теорию с участием рецепторов, нейронов и всего остального и заявить: «Вот так работает обоняние», – причем на основании тех же самых данных».

Биофизик Андреас Мершин из Массачусетского технологического института качает головой: «Вся идея в том, что для решения многих проблем нам нужна уйма данных… О мой Бог, если бы только у меня было достаточно обонятельных рецепторов с известной специфичностью, если бы у меня было достаточно генов и первичных элементов структуры, я бы добился успеха! Но эта идея несостоятельна. Никогда еще не было так, чтобы на текущем этапе развития науки нам не хватало данных. Бывали времена, когда нам их действительно не хватало, но в области обоняния, в поисках лекарств и во всем, чем я занимаюсь, мы не ограничены наличием данных».

Олофссон отмечает: «Нам безусловно нужно больше задумываться о роли обоняния и об интерпретации аксональных картин – и почему они так организованы. Я думаю, это требует постановки многих теоретических и практических вопросов».

Обоняние готово к вопросам. Нам нужно осмыслить данные, которые у нас есть. Мершин соглашается: «Про обоняние можно говорить, не испытывая серьезного давления типа: “О нет. Мы точно знаем, как все работает!” Мы не знаем даже, как устроено зрение. Это миф – что мы знаем. Если я его подтвержу – вы можете это напечатать, нет проблем, – но если я его подтвержу, то люди подумают, что они знают, поскольку существует множество учебников… Обоняние описано не так хорошо, и это дает чуть больше свободы. Но, по моему мнению, это универсальная система. Это модель для нейробиологии, это модель для нейрофизики. Это способ узнать суть эмерджентных[137] свойств. Это также способ понять эволюционную биологию. Это способ разобраться в ошибочных представлениях о связи структуры и функции. А еще – в описании и классификации».

Междисциплинарная сущность обоняния является как проблемой, так и преимуществом, по мнению Лесли Воссхолл, которая указывает на необходимость мыслить вне готовых схем: «Я редукционист, – смеется она. – И я именно тот человек, который должен выступать против [упрощения], поскольку я по своей специальности стремлюсь свести вещи к простейшим составляющим. Но при этом, возможно, теряется много важного…»

Где мы могли недоглядеть? По мнению Терри Экри, дело в восприятии. «Вы не можете разрешить проблему обоняния, пока не сформулируете основные представления о нем… Вы должны иметь возможность ответить: что значит быть запахом? А вариациями одного и того же запаха? Но мы не можем четко отразить это в нашей речи».

Современные тенденции в обонятельной нейробиологии обращаются к типичному философскому вопросу: что именно мы пытаемся измерить и нанести на карту нейронного пространства в первую очередь? Что такое запах на самом деле?

Глава 3. Носовой интеллект: запахи и познание

Спросите шесть человек, изучающих обоняние, что такое запах, и вы получите шесть (или больше) разных ответов. Химик расскажет вам о мельчайших деталях, определяющих запах молекулы[138]. Видите эту гидроксильную группу? Биолог покачает головой, заявляя, что запахи – это не только химические структуры, это скорее элементы с сигнальной функцией в организме[139]. Обоняние важно для поведения. Нейробиолог согласится, но добавит, что поведенческие функции возникают как следствие возбуждения нейронов в мозге[140]. На этом этапе может подключиться когнитивный психолог, который заметит, что поведенческой или нейронной перспективы недостаточно, чтобы понять ментальные механизмы, включающие запахи в культурный ландшафт познания[141]. Подумайте о роли памяти, речи и обучения в восприятии запахов! Философ мог бы добавить, что, хотя запахи способны передавать мысленные образы предметов, таких как яблоки или розы, обонятельный опыт часто находится на тонкой грани, разделяющей осознанное и неосознанное восприятие[142]. Запахи постоянно касаются осознанного восприятия в виде мимолетных и преходящих свойств. Как можно быть уверенным, что ощущаемое нами реально? Парфюмер изумится, вопрошая, почему никто не говорит об очевидном эстетическом аспекте и гедонической притягательности запаха[143]. Вы можете рассказывать любые сказки, заманивая толпу приятным запахом. Все эти точки зрения справедливы – и ни одна из них не охватывает природу запаха целиком. Такая мозаика мнений усложняет определение границ для обсуждения материальных основ запахов и их связи со свойствами восприятия.

Понимание природы запаха недостижимо в рамках какого-то одного научного подхода. Возможно, причина в том, что опыт восприятия запаха двояк. Обонятельные ощущения непрерывно связаны с процессами, идущими внутри и вне организма.

Безусловно, вы ощущаете запах чего-то. Предметы пахнут. И большинство предметов имеют уникальный запах. Вспомните кухню своей тетушки или отцовский гараж. Вспомните ароматы еды и специй из разных уголков земного шара, невероятное разнообразие душистых цветов и растений, а также характерный запах людей и частей их тела. Спектр источающих запах предметов кажется бесконечным, не говоря уже о несчетных и иногда немыслимых творениях парфюмеров. Очевидно, что запах – весомый материальный опыт; он сообщает нам некую информацию о мире: о людях, местах и предметах. Ощущение запаха передает нам важнейшие сигналы о невидимой сущности вещей.

Но запахи передают информацию не только о внешнем мире. Обонятельный опыт обычно имеет отношение к нам самим. Ощущение запаха, вероятно, каждым оценивается по-своему. При этом мы работаем с несколькими векторами решений: нравится ли мне запах? Приятен ли он? Насколько он стойкий или интенсивный? Что это за запах; он больше похож на запах черники или вишни? Съел бы я это? Или так: насколько эстетически приятен этот цветочный запах? Хотел бы я ощущать его на коже? Такое множество решений, с которыми связано восприятие запаха, влияет на оценку его качества.

То, как мы воспринимаем запах, связано с его влиянием на поведение и отражается на наших характеристиках как наблюдателя. Наши суждения связаны с физиологическими и ментальными факторами. Подумайте об этом. Предметы пахнут по-разному в зависимости от того, голодны мы или сыты, скучаем или заинтересованы, радостны или взбешены, беременны или у нас похмелье. Иногда мы понимаем, насколько голодны, только внезапно уловив запах еды. Наш нос доставляет информацию не только о внешнем мире, но и о нас самих.

Ощущение запаха одновременно экстероцептивное и интероцептивное, то есть относится к восприятию явлений снаружи и внутри наблюдателя. Философы называют экстероцептивную роль обоняния созерцательной, имея в виду, что запах связывает нас с внешним миром. Запах говорит о съедобности и качестве еды. Но в то же время обоняние отражает внутреннее состояние и учитывает относительную ценность этой информации. Запах пищи позволяет вам осознать, например, действительно ли вы хотите в третий раз за день съесть китайскую лапшу. Нейрогенетик и философ из Нью-Йорка Андреас Келлер соглашается: «Мы можем очень по-разному реагировать на один и тот же запах или на одно и то же прикосновение в разном контексте, в то время как к зрению это относится в меньшей степени». (Хотя некоторые специалисты в области зрения могут не согласиться с Келлером: разве не бывает, что в определенных ситуациях мы видим только то, что хотим увидеть?)

Как никакие другие чувства, обонятельный опыт опосредует наблюдения материальных изменений в окружающей среде в соответствии с нашим собственным физиологическим и психологическим состоянием. Это весьма интересно. Нос дает нам доступ к наблюдению за чрезвычайно тонкими химическими изменениями во внешней среде и в то же время передает наше внутреннее состояние, включая динамические взаимодействия между двумя формами опыта.

Обоняние вызывает глубокие вопросы, касающиеся человеческого разума. Отсутствие интуитивных ответов на эти вопросы заставляет сомневаться в существующих философских представлениях. Это дает возможность для пересмотра теоретических суждений, сформировавших наше понимание чувственного восприятия в целом. Что означает «видеть» мир носом? Какой доступ к материальному миру дает нам нос? Какого рода активность управляет формированием обонятельных образов? Есть два подхода к поиску ответов: мы можем начать либо с познания, либо с поведения, хотя, конечно, на самом деле они неразделимы. Для ясности давайте начнем с изучения обонятельного разума, а о роли поведения поговорим в главе 4. На нашу психику запах влияет куда сильнее, чем кажется на первый взгляд.

Два вида обоняния

Сколько у вас видов обоняния? «Какой странный вопрос, – подумаете вы, – конечно же, один». У нас один нос, и обоняние – одно из чувств. Однако биолог – и шеф-повар – скажет, что у нас как минимум два вида обоняния.

Приготовление пищи всегда занимало важнейшее место в человеческой культуре. Поиск новых вкусов и ароматов был движущей силой глобализации. Торговля пряностями повлияла на формирование социально-экономического ландшафта современного мира как никакой другой род человеческой деятельности[144]. В XX веке еда сильно изменилась из-за индустриализации пищевого производства и открытия искусственных вкусовых добавок[145]. От вкуса люди получают больше удовольствия, чем от картин Пикассо.

Интроспекция[146], наш «внутренний глаз», передает ложную информацию о пище. Большинство думает, что пища воспринимается ртом, что это вкусовые ощущения. Однако это не так. Или не совсем так. Вы едите с помощью носа. Это звучит странно: разве вы не чувствуете вкус пищи во рту? Однако «чувствовать» в данной ситуации не означает воспринимать только через вкусовые сосочки. Вспомните случай, когда у вас был сильно заложен нос. Все казалось пресным и неинтересным на вкус. Более того, количество вкусовых рецепторов непропорционально мало по сравнению с количеством различаемых вкусов. По результатам недавних исследований рецепторы на языке передают вкус кислого, сладкого, горького, умами, соленого… и, может быть, жирного[147]. Это довольно ограниченный набор, учитывая изобилие вкусов. Где на языке расположен рецептор клубничного вкуса? Где рецепторы мяты, черешни, шоколада, копченостей и чеснока? Их нет. Все эти качества создаются мозгом при участии носа[148]. Международная организация по стандартизации декларирует, что наряду с раздражением вкусовых рецепторов и тройничного нерва флейвор[149] определяет и обонятельная стимуляция, и что запах еды воспринимается с помощью ретроназального обоняния[150].

Ведущий научный сотрудник из Флоридского университета Линда Бартощук объясняет, что нос влияет даже на интенсивность ощущений от еды: «С помощью анестезии можно отключить chorda tympani (веточку лицевого нерва)[151]. Когда вы пробуете обычную еду, из супермаркета, типа шоколада или кетчупа, при отключении ветви лицевого нерва, отходящей от вкусовых сосочков интенсивность ее вкуса снижается на 50 процентов! Вкус становится вполовину слабее, чем раньше. Если это так, следовательно, взаимодействие в мозге между ретроназальным обонянием и вкусом – одно из важнейших явлений».

Как можно почувствовать вкус носом? Есть два пути восприятия ароматических соединений. Механизм ортоназального обоняния реализуется, когда мы нюхаем и вдыхаем: именно это мы обычно подразумеваем под обонянием. Но существует также процесс ретроназального обоняния, который реализуется при прохождении летучих молекул по задней стенке гортани до эпителия.

Посмотрите на рис. 3.1; вы видите, что глотка связывает рот с носом. Это открытое пространство позволяет молекулам еды, высвобожденным при жевании, достичь задней стороны гортани. Вместе с теплым воздухом из легких эти образовавшиеся во рту молекулы запаха достигают эпителия носа и взаимодействуют с ним после глотания. Глотание действует как воздушный насос, соединяющий легкие с эпителием. Поднесите палец к ноздрям. А теперь сглотните. Кожей вы чувствуете легкий поток выходящего через нос воздуха. Это воздух из легких.

РИС. 3.1. Старинный рисунок, демонстрирующий схему ретроназального обоняния. Глотка (Rh) связывает рот (Mh) с носовой полостью (Nh). Теплый воздух из трахеи (Lr) достигает глотки и доставляет молекулы запаха из пищи к эпителию носа, где они взаимодействуют с обонятельными рецепторами на чувствительных нейронах. Источник: Quagga Media / Alamy Stock Photo.

Ретроназальный путь – то, что отличает человека от большинства животных даже с очень хорошим обонянием. У мышей нет ретроназального механизма, нет его и у собак. Эти животные превосходные нюхачи. Но они никогда не узнают, что значит наслаждаться великолепной едой. Их ощущения можно в какой-то степени сравнить с нашим восприятием кофе, замечательный ортоназальный запах которого заставляет нас вылезать из постели по утрам. Но этот восхитительный запах недолговечен, и опыт завершается разочаровывающим вкусом: в общем-то кофе горький. (Ретроназальный аромат не всегда соответствует ортоназальному; мы скоро вернемся к этому вопросу.) Что позволяет людям чувствовать вкус, хотя многим животным это недоступно? Разница между человеком и многими другими животными, обеспечивающая ретроназальное обоняние, в отсутствии одной косточки.

В ходе эволюции человек и другие приматы потеряли костную поперечную пластинку носа, что привело к морфологическому разделению животных с так называемой первичной и вторичной носовой полостью[152]. Эта косточка отделяет обонятельный путь от дыхательного у животных с очень острым нюхом, в частности, у собак.

Одним из итогов такой эволюции стало то, что у человека обонятельные ходы не отделены от дыхательных и образуют единое носоглоточное пространство. В результате исчезновения костной перегородки рот превратился во второй нос. В то время как собаки и мыши имеют один нос для обнюхивания пищи, у нас их, можно сказать, два!

Второй нос, обеспечивающий ретроназальное обоняние, делает вкус пищи интересным. Вы не задумывались, почему люди едят «вонючие» французские сыры, несмотря на ихспецифический запах? Или почему кофе имеет восхитительный запах, но совсем непривлекательный вкус? Ортоназальный опыт может достаточно сильно отличаться от ретроназального опыта. Отчасти это физиологическое различие; оно объясняется разницей температуры воздуха из легких и внешних воздушных потоков. Воздушные потоки определяют, какие молекулы первыми достигают эпителия и с какой скоростью, причем настолько, что это влияет на картину активации нейронов (см. Главы 5 и 8). В результате запах из одного и того же источника может вызывать весьма различающийся качественный опыт в зависимости от физиологического пути доступа – это удивительное явление, которое нельзя объяснить без учета сенсорной системы, осмысливающей стимул. Восприятие запаха сыра, происходящее по ортоназальному или ретроназальному механизму, неодинаково. При этом оба типа восприятия точно передают рецепторам, что источник запаха – сыр.

Гедонические сигналы от запахов, поступающих ортоназальным и ретроназальным путем, также различаются. «Вонючий» сыр доставляет больше удовольствия, когда вы его едите, чем когда вы его нюхаете; напротив, аромат кофе приятнее его ретроназального вкуса. Это различие может иметь отношение к ощущению вознаграждения. Вкус кофе разочаровывает, поскольку настолько сложен, что не очень соответствует многообещающему ортоназальному аромату. Сыры часто кажутся лучше на вкус после дополнительного опыта, а их ретроназальное восприятие подкрепляет приятные ноты, не выраженные в ортоназальном аромате. Недавние исследования психолога Даны Смол и других ученых показали, что реакции нейронов при ортоназальной и ретроназальной обработке запахов действительно различаются[153].

Но почему мы ощущаем эти вкусы во рту, а не в носу? Знание того, что вкус образуется в носу, не меняет его феноменологической локализации во рту – это явление называют оральным перенаправлением[154]. Вы не можете сознательно повлиять на локализацию вкуса, как ни старайтесь. Дело в том, что действие происходит во рту. Ваше восприятие как целостное ощущение активно связано с местом осуществления конкретного действия. Терри Экри отмечал: «Это то, что происходит у вас во рту. Вы действительно видите это, вы дегустируете вино: вкусовое впечатление, текстура, взаимодействие между компонентами, а также сладость и кислота… все эти ощущения во рту должны быть правильными, чтобы вам понравилось».

Кроме того, если в пище обнаруживаются токсичные или испорченные компоненты, реакция должна быть быстрой. «В этом есть биологический смысл, если вкус означает нечто, что нужно выплюнуть, – смеется нейробиолог из Пенсильванского университета Джей Готтфрид. – Если бы вы думали, что ощущаете запах в носу, возможно, вы пытались бы это высморкать».

В ретроназальном механизме задействованы другие физиологические факторы, нежели в ортоназальном. Например, теплый воздух из легких. Физиология не только обеспечивает колесики и винтики чувственного восприятия – она объясняет, что же такое на самом деле восприятие запахов. Внимание к физиологическим деталям не просто добавляет эмпирические данные, помогающие понять суть восприятия. Оно заставляет пересмотреть теоретические предположения. Тот факт, что феноменологический опыт может не соответствовать (или очевидно не соответствует) своим реальным материальным причинам, заставляет искать новое философское осмысление, основанное на осознанном доступе к чувствам.

Бартощук отмечает, что наблюдаемость и интроспективный доступ в нашем восприятии связаны с тем, что мы делаем. Пробовать – это преднамеренное действие для восприятия вкуса, в то время как нюхать – вдыхать запах по ортоназальному механизму. Не существует глагола для описания активного восприятия запаха по ретроназальному механизму, поскольку нет такого произвольного действия. Так как мы ощущаем запах пищи в тот момент, когда намеренно ее пробуем, а не предпринимаем для этого каких-то независимых действий, мы по опыту знаем, что он связан с дегустацией. Поэтому интроспекция может вводить нас в заблуждение даже в отношении вида переживаемого нами.

Тем не менее сам по себе вкусовой опыт является феноменологическим; он действительно сообщает нам нечто важное о внешнем мире. Философ Барри Смит из Лондонского университета подчеркивает: «Следует понимать разницу. Если существует восприятие вкуса пищи, значит, восприятие – это восприятие чего-то. Мы хотим сказать, что наше состояние восприятия либо правильное, либо неправильное, что мы ощущаем либо правильно, либо ошибочно. Но если бы не было ничего, что мы могли бы назвать вкусом, независимо от наличия того, что мы считаем отражением вкуса, это не соответствовало бы ничему. Это было бы состояние без какой-либо репрезентативной силы. Лишь состояние, которое возникало бы всякий раз, когда мозг создает вкусовой опыт. Это больше походило бы на зуд или боль».

В таком контексте философы могут сказать, что обоняние (как ретроназальное, так и ортоназальное) имеет репрезентативную силу. Репрезентативность восприятия означает, что создается мысленный образ, который так или иначе связан с характеристиками внешнего мира, и при этом подразумевается, что существует некая степень успешности или точности отражения. Однако успешность восприятия определить непросто, особенно в случае обоняния. Почему какое-то восприятие запаха можно считать точным отражением источника запаха? В конце концов, восприятие запаха у всех разное. Как может запах быть репрезентативным выражением реальности, если у наблюдателей нет достаточного единства в реакции на запахи? Для ответа на этот вопрос нам потребуется исследовать причины вариабельности.

Осознанное восприятие запаха

Обонятельным восприятием и его связью с познанием долгое время пренебрегали из-за философской тенденции трактовать восприятие как осознанное явление с пропозициональным (относящимся к суждению) содержанием. А такой подход исключает рассмотрение многих важнейших аспектов восприятия (неконцептуальных и неосознанных), имеющих большое значение для формирования обонятельных образов.

Осознанное восприятие традиционно анализировали в виде «концептуального содержания». Субъективная оценка основана на уже имеющихся суждениях о мире и выражает концептуальное содержание, которое создают чувства. Такое содержание предусматривает разную степень сложности; например, мы говорим «эти два носка разного цвета» или «начало вагнеровского «Летучего голландца» отражает ранний пример распада тональности». Но хотя уровень сложности подобного знания различается, пропозициональные установки их содержимого схожи. С точки зрения восприятия подтверждается только справедливость утверждений, связанных с физической реальностью. Утверждение «эти два носка разного цвета» истинно, если конкретные два носка действительно имеют разный цвет, восприятие которого можно подтвердить анализом электромагнитного спектра.

Рассуждать о запахах в таком ключе непросто по трем причинам. Во-первых, совсем не очевидно, почему восприятие запаха – «точное отражение» окружающего мира. Допустим, вы знаете, как пахнет кофе. Но в аромате кофе вы не ощущаете сильно отдающего фекалиями индола. При этом запах индола входит в общий спектр кофейного. Делает ли то, что вы его не ощущаете, ваше впечатление ошибочным? Прежде чем утверждать, что, нюхая кофе, вы не чуете индол, потому что таково верное умозрительное представление об аромате кофе, спросите любую беременную женщину с обостренным обонянием. Вполне возможно, что она его чует. Чье же восприятие более «верное»? По-видимому, так ставить вопрос нельзя.

Но точность отражения – не единственная трудность. Вспомните моменты, когда вы ощущаете какой-то запах, не видя его источника. Часто вы не в состоянии определить, что это за запах. Суждения о запахе могут сильно различаться, когда его источник видим или невидим. Но даже когда мы не можем ухватить концептуальную сущность обонятельного ощущения, мы все равно понимаем, что пахнет чем-то определенным. И в результате возникает вопрос: о чем же в действительности сообщает мысленный образ запаха?

Наконец, вам знакома ситуация, когда ощущения, вызванные пахучими веществами, не воспринимаются как запах – вспомните ароматы пищи.

Люди недооценивают влияние запаха на умственную активность и принятие решений. Большинство, отвечая на вопрос, от какого чувства они готовы были бы отказаться, без колебания называют обоняние.

Возможно, это логично, поскольку современная цивилизация во многом основана на информации, обрабатываемой органами зрения и слуха. Однако пренебрежительное отношение к носу выражено очень сильно и часто неоправданно. В 2011 году агентство McCann Worldgroup проводило опрос среди молодых людей, интересуясь, что бы они предпочли: расстаться с технологическим устройством, таким как компьютер или мобильный телефон, или потерять обоняние[155]. Более половины участников в возрасте от 16 до 22 лет голосовали не в пользу носа, а сегодня этот показатель, вероятно, был бы еще выше. Задумайтесь на минуту. Множество молодых людей скорее искалечили бы себя навсегда, чем отказались от такой заменимой вещи, как технологическое устройство.

Почему мы недооцениваем обоняние? Мы редко осознаем, что оно у нас есть. Только вот что важно: запах не всегда воспринимается осознанно, но такое непонимание не означает, что обоняние – не часть сознательного опыта. Возможно, наш мозг не отслеживает и не анализирует запахи постоянно. Но это не мешает обонянию влиять на сознательный опыт в целом, включая опыт, полученный от других органов чувств. Смит полностью соглашается: «Обработка запаха постоянно дает нам чувственный опыт – некую основу сознания, на фоне которой мы замечаем изменения и события, отмечаем вещи, влияющие на наши эмоции, память, поиски пищи, притяжение к другим людям, местам и вещам или отторжение от них».

Обоняние не всегда часть того, что философы называют сознательным восприятием – ясным состоянием разума, когда достаточно продемонстрировать, например, что «этот мяч красный» или «этот звук высокий». Ощущение запаха часто становится частью представления о внешнем мире не как обонятельного опыта. Когда вы чувствуете, что пространство вокруг вас липкое, или свежее, или усыпляющее, возможно, вы не связываете это ощущение с обонянием. Это лишь компонент вашего общего мультисенсорного восприятия обстановки, которое складывается также из неясных звуков и облаков на небе. Готтфрид добавляет: «Я слышал, как женщина-философ говорила, что потеря обоняния сродни сжатию времени и пространства. Так, если бы прямо сейчас мы ощущали запах морской воды, это создавало бы более полное восприятие мира. Она говорила, что чувствовала себя скованнее во времени и пространстве, чем если бы имела доступ к собственному обонянию. Это очень яркий способ описания вещей».

Попытайтесь вспомнить пять последних запахов, которые вы осознанно ощутили за сегодняшний день. Вы можете честно сказать, что помните последние пять запахов или даже три, которые вы действительно осознали, не говоря уж об их порядке? Что вы почувствовали сначала – запах кофе или жареного тоста к завтраку? Возможно, вы попытаетесь восстановить живые картинки сегодняшнего утра, а не обонятельные воспоминания. Мы редко помним свои обонятельные ощущения, если только они не были особенно яркими. Парфюмеры или другие эксперты по запахам могут помнить такие вещи, поскольку конкретное осмысленное восприятие ароматов – часть их ежедневного когнитивного ландшафта. Но обычному человеку, который почти не обращает внимания на запахи, трудно вспомнить даже последний осознанно уловленный запах. И речь идет не о каком-то принципиальном биологическом ограничении, а о том, насколько внимательно мы относимся к миру, передаваемому ощущениями.

Дело во внимании при формировании воспоминаний и в условиях сравнения. Здесь обоняние не отличается от зрения. Келлер настаивает: «Это проблема памяти. Для зрения это подтверждается вновь и вновь. Если вы показываете изображение и затем меняете его, все понимают, что оно поменялось. Но если у вас изображение, а потом вы добавляете к нему рамку, люди с трудом это заметят, поскольку не могут запомнить всю ранее виденную картину, и определить различие становится сложнее». И все же в отличие от нюха мы всегда осознаем, когда что-то происходит в поле нашего зрения. Этого нельзя сказать о человеческом обонянии. Обоняние проходит по тонкой границе между осознанным и неосознанным восприятием.

Как неосознанное восприятие влияет на сознательный опыт? Многие обонятельные стимулы из окружающей среды никогда не достигают порога обнаружения. И все же стимулы ниже этого уровня (те, что мы не улавливаем сознательно) влияют на осознанное восприятие запахов, интенсивность которых выше порога. Влияние подпороговых стимулов на восприятие – удивительное явление, которое можно измерить, хотя и с трудом. Подпороговые значения не ограничиваются внутримодальными эффектами (между обонятельными раздражителями разного характера и интенсивности); они также влияют на межмодальные взаимодействия. Представьте свою систему чувств в виде переключателей на панели управления, как в студии звукозаписи. Усиление одной модальности повлияет на весь комплекс восприятия, так что и другие модальности потребуют корректировки – либо снижения, либо усиления интенсивности[156]. Обоняние – жизненно важный переключатель в вашей ментальной студии звукозаписи.

Экри подчеркивает: «У нас много экспериментальных доказательств, что подпороговые молекулы могут влиять на надпороговые молекулы [то есть молекулы в концентрации, превышающей порог восприятия] – на то, как они действуют. Многие заслуживающие доверия эксперименты показывают, что любые виды стимулов подпорогового уровня изменяют ответ на другие стимулы, находящиеся на надпороговом уровне». Эти открытия совпадают с результатами исследований в зрительной и слуховой системе, в которых также обнаружено влияние подпороговых стимулов на сознательное восприятие[157].

«Вот почему вопрос о сознательности становится центральным в данной теме. Поскольку, анализируя поведение, мы можем спросить участников об их сознательном опыте, – продолжает Экри. – Но мы не можем спросить их о неосознанном опыте. Который огромен, если учесть, что в мешанине из множества химических веществ те, чье количество превышает пороговое, возбуждают все эти рецепторы. Но многое происходит ниже сознательного уровня. И при этом может влиять на то, что достигает сознания».

Это затрудняет проведение углубленных исследований обонятельного опыта. Тем не менее, экспериментальные исследования достигли той точки, когда (наконец-то!) стало возможным связывать различия в обонятельном восприятии с физическими причинами, например, с генетикой рецепторов. Какие стимулы и в какой концентрации достигают порогового уровня, зависит от экспрессии и чувствительности рецепторов. Картины экспрессии рецепторов в носу у разных людей различаются, так что ваша не похожа на мою. Кроме того, существует разная чувствительность к запаху. Таким образом логично, что один и тот же одорант, комбинаторным образом взаимодействующий с несколькими рецепторами, может восприниматься по-разному людьми с разным набором рецепторов. И это можно проверить.

В двух недавних исследованиях (при участии Андреаса Келлера, Лесли Воссхолл, Хироаки Мацунами и Джоэля Мейнленда) было показано, что вариации генетических обонятельных характеристик связаны с различиями в восприятии запаха теми или иными людьми[158]. Генетика тесно связана с восприятием запаха. Кроме того, из-за большого количества генов обонятельных рецепторов в человеческом геноме, могут проявляться последствия многочисленных мутаций. Иногда такие мутации приводят к заметным различиям в восприятии запаха. Например, некоторые не любят кинзу, альдегиды которой кажутся им едкими с мыльным привкусом, а не фруктовыми и свежими. Это различие в восприятии связано с генетической вариацией вблизи гена обонятельного рецептора OR6A2[159].

Подобные примеры показывают, что такие традиционные философские вопросы, как природа квалиа[160] (спросите себя, совпадают ли мои мысленные представления о синем цвете с вашими мысленными представлениями о синем цвете), теперь связаны с эмпирическими исследованиями в области обоняния. Мы с вами можем назвать что-то, что пахнет розами, но ваше качественное восприятие запаха конкретных роз отличается от моего, если у нас разные наборы рецепторов. (Как различаются квалиа или что они означают на ментальном уровне – другой вопрос, и оценить это гораздо труднее. Отчасти по той причине, что далеко не все сходятся во мнении, что же такое квалиа на самом деле и существуют ли они.)[161]

Биология – не единственная наука, изучающая восприятие. Этим занимается и психология. В психологическом контексте важную роль играет контекстуальное и поведенческое влияние. Например, исследования чувственного восприятия у представителей разных культур показали, что привычка к запаху влияет на порог чувствительности: чем лучше вам знаком запах (скажем, запах влажной земли), тем ниже ваш порог его восприятия[162]. Нюх у людей очень разнится, и эти различия не случайны. Они связаны с важнейшими причинными факторами и механизмами, и эти факторы сегодня можно изучать.

Обоняние заставляет нас выйти за пределы «установки на данность». Запахи не подаются в мозг для немедленного рассмотрения или рационального включения в архитектуру познания. Напротив, иногда требуется немалое усилие и осознанное размышление, чтобы выявить скрытое, хотя и распространенное, присутствие запаха в нашей внутренней ментальной жизни. Некоторые запахи распознаются только после того, как мы обращаем внимание на свое обонятельное ощущение, и требуется усилие, чтобы проанализировать содержание обонятельного опыта путем сосредоточения внимания (см. главу 9).

Гордон Шеферд вспоминает о беседе со своим коллегой Эйвери Гилбертом: «Я начал осознавать, что нужно сделать что-то, чтобы заставить людей понять: мы не так уж плохо различаем запахи. Я написал эту маленькую статью о человеческом обонянии: “Оно лучше, чем мы думаем?”[163] – улыбается Шеферд. – Тогда Эйвери прислал мне письмо на электронную почту со словами: Нет, у вас неправильный заголовок. Он должен быть… “Человеческое обоняние: оно лучше, потому что мы думаем?”»

Мы все еще пытаемся понять, что же мы осознаем, когда чувствуем запах. Что мозг и разум делают с поступающей от носа информацией? И для чего эта информация? Это первое прикосновение к невидимому и тонкому миру запахов следует удерживать в голове в буквальном смысле, поскольку сознательному разуму видны лишь фрагменты тайны. Не все обонятельные ощущения, проникающие в сознательный опыт, обрабатываются как концептуальные или даже просто обонятельные объекты. Но от этого они не становятся менее важными для сознания. В качестве чувственной основы сознательного опыта обонятельное восприятие активно вносит вклад в общее когнитивное отражение ситуации. Но при этом нам нужно пересмотреть вопрос о сознательном понимании запахов.

Запахи как объекты познания

Сознательный обонятельный опыт не подчиняется связному и единообразному описанию. «Наше восприятие запахов очень расплывчато. Зрение позволяет видеть предмет, следить за предметом и понимать предмет. Запах же просто проникает в нас. Он появляется неожиданно. Вы можете последовать за ним. Однако обычно происходит так: “Ой, чем-то пахнет!” Но запах уже был здесь. Я заметил его какое-то время назад, но осознал только сейчас», – комментирует врач из Квебекского университета в Труа-Ривьер Иоганнес Фраснелли. Из-за спонтанности осознания запах может оказаться для вас неожиданностью. Труднее ли нам осмыслять объекты обоняния потому, что обоняние (в отличие от зрения) не находится постоянно на переднем крае сознательной ментальной жизни?

Легче определить сходство двух запахов, нежели их назвать. Иногда вы спрашиваете себя: что это за запах? Семантика обонятельных образов неопределенна по своей природе. Это становится понятно, когда источник запаха невидим или неизвестен. Содержимое обонятельного восприятия зависит от видимого источника, но не срощено с ним.

Запах сам по себе может вызывать совсем иные образы и ассоциации, чем когда он присутствует одновременно с видимым источником. Ганс Геннинг обнаружил зависимость семантики запаха от контекста еще в 1916 году (см. главу 1). Геннинг анализировал влияние зрительных сигналов на идентификацию запаха. Это позволило ему сформулировать важнейшее методологическое различие между «истинным запахом (Gegebenheitsgeruch), который наблюдатель воспринимает, вдыхая запах с закрытыми глазами и не зная его природы, и предметным запахом (Gegenstandsgeruch), который (как цвет) проецируется на объект, от которого исходит, и может быть искажен ассоциативным дополнением».

Нейробиолог Ноам Собель из Института Вейцмана любит демонстрировать скептикам это различие с помощью простого опыта[164]. Нужно только зайти на кухню. В следующий раз, когда откроете холодильник, обнюхайте его содержимое с закрытыми глазами. Попросите приятеля давать вам нюхать продукты случайным образом и попробуйте их назвать. Это на удивление трудно сделать. Вы знаете, что это за продукты, вы сами их купили и положили в холодильник. Поэтому дело не в том, что вы знакомы или не знакомы со специфическим запахом и его характеристиками. Этот эксперимент демонстрирует расхождение между двумя типами процессов – восприятием запаха и его идентификацией. Вы действительно чувствуете что-то и можете отличить этот запах от запаха чего-то другого. Только чрезвычайно сложно назвать этот запах!

Так что причинные факторы (одоранты) – не просто медиаторы между источником запаха и семантикой его мысленного образа. И это имеет практические последствия. Врач Томас Хаммел из Дрезденского технического университета замечает: «Мы должны отдавать себе в этом отчет, когда в клинических условиях проверяем обоняние с помощью набора для определения запахов». В таких исследованиях «вам дают что-то понюхать. Вы нюхаете, и у вас возникает проблема с идентификацией. Даже если это такой известный запах, как запах ананаса. Поэтому задача в том, чтобы не только дать почувствовать запах, но и представить список идентификаторов. В этом списке могут быть, например, смола, трава, кожа и ананас. И в таком случае вы легко узнаете запах ананаса, если не лишены обоняния».

Сложная связь между запахом и речью отмечалась часто и способствовала отсутствию философского и общественного интереса к изучению когнитивных основ обоняния. Сложность с поиском названий, возможно, главная причина, по которой отрицается когнитивная основа обоняния, и оно признается лишь как инстинктивное животное чувство. Дело в том, что речь выступает в роли наблюдаемого (видимого или слышимого) выражения человеческого разума. Семантика речи – среда и отражение познания, воли и намерения. То, что мы не можем описать словами, трудно для понимания и изучения. Популярное мнение, что мы не способны описывать запахи, нуждается в пересмотре.

Суть стандартной формулировки в том, что для описания обонятельных ощущений у нас нет подходящих слов. Но это не так. Сравним с цветом. Конечно, мы можем назвать основные цвета радуги. Но есть другие цвета, о которых вы, возможно, никогда не слышали, если только вы не эксперт-колорист: микадо (ярко-желтый), сизый (пудрово-голубой), ксанаду (серовато-зеленый) и многие другие. С запахами похожая ситуация: у нас есть распространенные названия для общих категорий (цветочный, фруктовый, древесный) и более специфические термины, для применения которых нужна подготовка (черничный или иланг-иланг). Дело не просто в наличии специфической терминологии, но и в ее правильном использовании. Кроме того, подумайте обо всех вкусах (ретроназальных запахах), которые вы можете перечислить!

Нам трудно назвать различимые свойства запахов без специальной тренировки. Однако некоторые сложные зрительные объекты, такие как лица, тоже трудно описать. Шеферд комментирует: «Проблема подбора слов для запахов и вкусов сложна по той причине, что это именно та проблема, которая возникает, когда мы видим любой зрительный рисунок. Он подпадает под определенные правила, и поэтому я использую сравнение с лицами[165]. У нас нет слов, чтобы точно описать лицо человека постороннему, который с ним не знаком, поскольку это неупорядоченные линии, про которые… мы не можем сказать, вертикальные они, горизонтальные или какие-то еще. Это просто два глаза, нос и рот. Но как описать их таким образом, чтобы вы смогли идентифицировать чье-то лицо среди тысяч других лиц? Это почти невозможно. И то же самое касается запахов». Проблема не в словарном запасе как таковом.

Отличие распознавания запахов от распознавания зрительных объектов – в трудности соединения обонятельных ощущений с конкретными названиями, то есть с их уникальными обозначениями. Даже если мы находим описания для обонятельных ощущений, они сильно различаются у разных людей. Психолог Тереза Уайт из Колледжа Ле Мойн объясняет: «Честно говоря, люди плохо справляются с подбором специфических идентификаторов. Они не умеют присваивать имена и назовут лакрицей две или три вещи подряд, которые на самом деле различаются. Возможно, одна из причин в том, что для восприятия запаха нужно много рецепторов, одни из которых гораздо активнее других. Некоторые рецепторы воспринимают несколько одорантов. Возможно, это и приводит к путанице в том, с чем вы реально имеете дело, так как нельзя к нему намертво прикрепить ярлык. Подумайте, что для всех существующих на свете апельсинов у нас есть всего одно название, но и у фруктов типа мандарина вы тоже можете улавливать апельсиновый запах. И у некоторых лимонов. В то время как для многих типов стимулов [в других сенсорных системах] у нас существует достаточно четкое распределение конкретных названий, для запахов это нечто расплывчатое. Спектр очень широк, и я думаю, он отражает количество вовлеченных рецепторов. Я думаю, отчасти с этим связана сложность с подбором слов». Подобная недостаточная определенность кодирования запахов – от рецепторов и далее – действительно может приводить к расхождениям в восприятии запахов (см. главы 6–9).

Известно, что люди плохо умеют подбирать для запахов уникальные классифицируемые лексические идентификаторы. Связано ли это с какой-то внутренней биологической особенностью или с культурным фактором, заключающемся в пренебрежении к когнитивной роли запаха? Одно правдоподобное научное объяснение гласит, что в обработке обонятельных и речевых сигналов отчасти задействованы одни и те же нейронные ресурсы коры мозга. Это означает, что эффективность обоняния у человека могла сократиться в результате усиления обработки речи. Трудности в присвоении словесных обозначений запахам дополнительно подтверждают эту гипотезу. Слабая лингвистическая способность называть запахи отражает общее свойство биологии человека. Уайт добавляет: «Тайлер Лориг[166] сказал бы, что существуют мозговые ограничения в связывании специфических запахов с речью»[167]. Но пока еще неясно, итоговое ли это объяснение.

Антропологические исследования показывают, что ограниченность обонятельной терминологии – не биологическое явление. Возможно, она вытекает из культурной или поведенческой незаинтересованности. В некоторых обществах для описания запахов используется обширный лексикон, что связано с более богатой культурой обонятельных навыков и привычек.

Как подчеркивает Азифа Маджид (раньше она работала в Рэдбаудском университете, теперь – в Йоркском университете). Она изучала речь южноазиатских народов. Маджид рассказывает, что у народа джахаи (мон-кхмеров, коренных жителей Таиланда) запах играет чрезвычайно важную роль в социальном общении[168]. «Вы не можете готовить на одном костре два типа мяса. Джахаи разведут два костра на определенном расстоянии друг от друга, чтобы запахи мяса не смешивались, поскольку, если они перемешаются, бог грома в небесах почувствует это, и будет плохо. Делая так, вы нарушаете табу. Одни запахи могут принести болезнь, но можно использовать другие запахи, чтобы им противостоять. Братьям и сестрам нельзя сидеть рядом, поскольку их запахи смешиваются в своеобразном инцесте, а этого не должно случиться».

Исследования речи и поведения разных народов могут внести дополнительную ясность и привлечь внимание к связи между восприятием и познанием. Интерес Маджид к речевым особенностям разных культур вырос из ее интереса к принципам познания. «Меня интересовало, как работает разум. Я подошла к этому через анализ различных межлингвистических и межкультурных примеров, чтобы понять, что схожего и различного есть в разных культурах и что это может сообщить нам об уникальных и общих человеческих свойствах. Я стала думать, в чем язык хорош, а в чем – плох. Часто мы пытаемся найти, для чего же язык особенно полезен. Я подумала, что для наглядности стоит подумать о тех вещах, в которых он проигрывает, где мы сталкиваемся с трудностями, и что это может рассказать нам о том, для чего эволюционировал язык и как он подключен к нашим системам восприятия».

Кроме описания народа джахаи в 2014 году Маджид вместе со своей аспиранткой Эвелиной Внук опубликовала важную статью, в которой задокументировала словарный запас для обозначения запахов у народа мани[169]. В терминологии мани существуют абстрактные категории обонятельных ощущений, а не привычные нам обозначения (как чесночный или цветочный), образованные от видимых предметов. Эти категории связаны не с источником запаха, но со свойствами разных типов предметов, объединенных общим понятием. Возможно ли, что правила познания (то, как объекты восприятия превращаются в умозрительные) опосредованы культурными факторами?

Есть разные мнения об интерпретации этих результатов и их универсальности. Йонас Олофссон замечает: «Этот вопрос можно рассматривать многими способами. Было бы серьезной ошибкой заявлять, что обучение культурно обусловленному языку запахов противоречит представлениям об универсальных речевых ограничениях». И добавляет: «Мы даже не говорим о том, что наше неумение описывать запахи словами… определяется биологическим пределом наших возможностей[170]. Однако, вероятно, нам это дается труднее, чем выразить словами другие материи, например, зрительные. Это ограничение, как любое биологическое ограничение, подлежит переоценке на протяжении нашей жизни». Неопределенность и вариабельность речевого выражения запахов не может быть когнитивным ограничением. По мнению Уайта, причина может скрываться в том, как кодирование запахов представлено на уровне рецепторов.

Также, как считает Олофссон, существуют важные различия в том, как люди описывают запахи с помощью слов: «В нашей культуре есть эксперты по запахам, способные замечательно их описывать. Нет универсального ограничения на описание запахов, но могут существовать какие-то ограничения. Такого уровня лингвистических знаний достичь труднее. Я думаю, здесь следует рассматривать два отдельных вопроса – обучение и некий тип биологических ограничений».

Для понимания лингвистических возможностей в обонятельном обучении необходимо учитывать, что словарный запас для описания запахов разнообразен. Даже терминология экспертов специфична для конкретной области, что объясняется широчайшим диапазоном запахов и вкусов. Например, терминология дегустаторов вина отличается от терминологии экспертов по пиву или кофе. Значительно расходятся они в понимании горького (строго говоря, горькое – это вкус; это помогает прояснить суть). Горечь во вкусе вина – признак плохого вина. Во вкусе пива и кофе это качественная характеристика, позволяющая различать разные сорта и бренды. В последнем случае горечь подразумевает спецификацию, так что эксперты по пиву и кофе используют разные термины и категории для описания горечи. А эксперты по вину не используют этот элемент. Они не отличают одни специфические ноты горечи от других, поскольку не обучались тонкостям восприятия в этой категории. Но специфическая терминология значительно различается даже у экспертов в конкретной области. Опытный винодел Эллисон Таузиет из Colgin Cellars в долине Напа подтверждает: «Мы постоянно используем все эти определения для описания вина. Мы оттачиваем свою речь. Но если бы мне пришлось пойти на другую винодельню, я бы [не поняла], о чем вообще говорят эти люди». Язык запахов строго соответствует правилам договоренностей. Маджид заключает: «Если существует выработанная терминология, ее придерживаются все члены сообщества».

Далеко не очевидно, каким образом использование терминологии связывает восприятие с познанием и наоборот. Мы видим, что подход, традиционно относивший обоняние к несложным в когнитивном плане ощущениям из-за трудностей с описанием обонятельного опыта, строился на трех ошибочных допущениях: что интроспекция – надежное основание для анализа восприятия (это неверно в случае вкусовых ощущений), что сознательный опыт определяет структуру восприятия (это не учитывает неосознанных процессов в формировании опыта), и что речь – зеркало опыта (это не учитывает, что вербализация – продукт познания и культуры, не являющийся «независимым инструментом» для анализа осознанного перцептивного содержания). Эти три допущения заставляют пересмотреть наше понимание запахов как объектов познания.

Обонятельные ощущения не могут быть полностью объяснены «внутренним глазом мозга» и его отражением в форме суждения. Семантического подхода оказывается недостаточно. Словесные определения не могут однозначно отражать причину запаха. Это не только философский вопрос, он точно так же касается плана исследования. Воссхолл считает: «Я думаю, нам нужно уйти от проблемы терминологии. Мы должны перестать использовать семантические определения». За выбором слов для описания воспринимаемого содержания теряется зависимость семантики от исторического и культурного контекста. Воссхолл цитирует «Атлас профилей характеристик запахов» Эндрю Дравнека – сборник описаний запахов, опубликованный в 1985 году, который до сих пор активно используется в психологии обоняния[171]. «Среди этих 146 определений… через пятьдесят лет половина будет непонятна людям, поскольку они очень специфичны и культурно основаны на продуктах и ингредиентах. Это сравнимо с чтением кулинарной книги 1500-х годов! Вы не имеете представления об этих ингредиентах или о типе продуктов. Вы никогда не сможете [понять этого]… не отправив кого-то назад во времени, чтобы сообщить вам, что это за блюдо или какой у него вкус».

Но это не означает, что использование речи ничего не сообщает о когнитивной обработке запаха; просто психологические корни обонятельного опыта, создающие его содержание, не следуют из словесного выражения. «Я думаю, что будущее психофизики не в семантике, а в том, чтобы анализировать, как люди судят о сходстве молекул и возможности их различения», – подытоживает Воссхолл.

Слова – удобный когнитивный инструмент для передачи внутреннего опыта. Однако процесс категоризации запахов – не то же самое, что обозначение запахов. Гилберт качает головой: «Это все равно что считать вербальную характеристику каким-то образом закодированной в орбитальной структуре молекулы. С философской точки зрения это просто неверно». А Готтфрид отвечает: «Люди не могут не давать вещам имен. Это удивительная философская традиция в отношении предметов, названий, реальности и всего остального. Магритт точно выразился: Это не трубка![172]»[173].

Является ли альтернативой более материалистический взгляд, при котором описание воспринимаемых образов сконцентрировано на источнике обонятельного опыта? В конце концов, восприятие запаха – реакция на нечто вне нас, на невидимый мир молекулярной информации. Однако соотнесение воспринятого с его материальным источником тоже влечет за собой определенные трудности.

Цель не есть причина

Совсем не очевидно, в чем цель обонятельного восприятия. Зрение в качестве эталона чувств в первую очередь направлено на распознавание предметов. Видимые предметы имеют форму и цвет, и можно проверить, насколько наше мысленное представление о предмете соответствует этим признакам. Слух позволяет слышать события, связанные с отдаленными от нас предметами. Осязание дает ощущение непосредственного взаимодействия с предметами. Эти сенсорные реакции позволяют определять характеристики, связанные с состоянием предметов, такие как его материальное присутствие, расположение, границы или дискретность.

Передают ли запахи какие-то аналогичные свойства материальных предметов? Если да, то какие? По мнению философа Уильяма Ликена из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл можно назвать три типа потенциальных объектов восприятия запаха[174]. Во-первых, есть вещи, которые выделяют летучие вещества, макроматериальные объекты, такие как гуляш, кипящий на плите. Во-вторых, есть сами летучие вещества – одоранты и их собственные причинные связи (например, турбулентность воздушных потоков). В-третьих, есть мысленные образы, такие как запах гуляша или аромат розы. Зависимость между этими тремя уровнями восприятия не линейная, а перекрестная (см. главу 9).

Материальная основа этой связи объясняет множество особенностей обоняния. Молекулы перемещаются значительно медленнее, чем фотоны. Долгое время после исчезновения источника запаха некоторые летучие вещества все еще остаются в воздухе: вонь табака в комнате и на одежде, хотя сигарета давно погасла, шлейф тяжелых духов, ароматы еды после ужина. Нос может передать мозгу ощущения, которые уже не связаны с видимым источником. Кроме того, ощущение может происходить из разных источников. Представьте себе пахучий сыр, скажем, эпуас (запах этого сыра так силен, что в Париже запрещено провозить его в общественном транспорте). Но ощущение этого запаха может быть вызвано другим предметом. И это не обязательно сыр. Какой-нибудь парфюмер может создать синтетическую смесь, чтобы шокировать публику или добиться увольнения!

Проводить прямую от молекул к восприятию или ментального образа к материальному объекту – ошибочно. Причинные факторы (одоранты) – не просто медиаторы между источником запаха и семантикой их мысленных образов. Такое представление не учитывает процесс, объясняющий, как разум и мозг создают ощущение запаха из молекул и что такое образы запахов. Кроме того, эта идея неправильно представляет роль стимула в качестве источника восприятия. Содержание обонятельного образа не объясняется микроструктурой одорантов.

Сравним со зрением. Цветовое зрение основано на расчете длины волны. В таком ключе запах представляет собой сенсорное отражение химического состава стимула. Как оптик связывает цвет с электромагнитным спектром, так можно рассуждать подобно химику-аналитику и связывать пахнущие предметы с молекулярной основой, анализируя функциональные группы, бензольные кольца и двойные связи в соответствии с характеристиками запаха. Философ Бен Янг из Невадского университета в Рино назвал эту идею «теорией молекулярной структуры»[175].

Но если вы не химик-синтетик, все это не поможет вам понять суть обоняния, не говоря уже о том, чтобы представить модель для анализа содержимого обонятельного образа. Связь между характеристиками запаха и химией обонятельного стимула чрезвычайно сложна. Для объяснения сути запаха через химию стимула нужна модель системы, кодирующей молекулярную информацию. Этот же принцип применим к зрению и любой другой системе.

В теоретическом плане кодирование обонятельных стимулов отличается от кодирования зрительных стимулов в нескольких важнейших аспектах[176]. В цветовом зрении спектр длин волн воспринимается рецепторными клетками однотипно, что позволяет производить дискретные расчеты цветовых категорий и связывать физические объекты с воспринимаемыми характеристиками. В обонянии нет таких линейных корреляций между структурой и запахом: тип запаха не отражает структурную гомологию[177] между одорантами. Непохожие одоранты вызывают похожие ощущения, и наоборот: это связано с принципами кодирования в данной системе, а не с характеристиками отдельных стимулов.

Стимул – это причина восприятия, а воспринимаемый образ – его содержание. Вопрос в том, как они связаны между собой.

Зрительная система учит нас и этому. Не получится понять суть цвета через представление о длине волны, без модели работы зрительной системы. Рассмотрим розовый цвет. В электромагнитном спектре нет участка, соответствующего розовому, так что этот цвет нельзя воспринимать как характеристику физического объекта. Восприятие розового цвета – выдумка мозга. Вообще говоря, это сенсорное выражение того, что невозможно физически. Звучит парадоксально, но когда мы видим розовый цвет, мы воспринимаем «пробел» стимула. Этот пробел заставляет мозг производить сенсорное вычисление «белый минус зеленый». Розовый – мысленный результат «закрашивания» мозгом пробела в стимуле, результат вычисления физических характеристик окружающего мира нейронами, а не непосредственное отражение мира. Иными словами, это вычисленный, а не физический признак. Физическую основу содержимого восприятия нужно искать, исходя из принципов действия системы кодирования.

Прекрасный пример для иллюстрации перцептивных вычислений в обонянии – белый запах, открытый Собелем[178]. Белый запах (или «обонятельный белый») – это запах с неопределенными характеристиками, который получается при смешивании тридцати с лишним молекул с разными неперекрывающимися химическими особенностями. Этот запах имеет удивительное свойство. Он не связан ни с каким обычным семантическим объектом вроде яблока. Такого запаха в природе нет. Бессмысленно спрашивать, какому типу предметов соответствует его содержимое, поскольку таких предметов не существует.

Кроме того, белый запах не имеет уникальной или определенной микроструктуры. Заметьте, что для приготовления этого запаха подойдет смесь из любых тридцати молекул с неперекрывающимися микроструктурными характеристиками. Белый запах не производится специфическим набором молекул или молекулярных характеристик. Мозг создает содержимое белого запаха, когда вынужден справляться с переизбытком физических информационных стимулов. Мозг создает белый запах, когда не знает, что делать – точно так же, как белый цвет в цветовом зрении. В случае зрения при восприятии мозгом всего спектра видимого света возникает переизбыток информации, с которым мозг не может справиться. И тогда он создает белый цвет.

Белый запах и белый цвет – расчетные признаки, созданные кодирующей системой.

Изучать белый запах экспериментальным путем непросто. Смесь должна содержать одоранты в равных долях. Однако из-за разной скорости испарения интенсивность запахов быстро меняется и влияет на сочетание компонентов смеси, изменяя воспринимаемые характеристики. Кристиан Марго объясняет подробно: «Все летучие вещества в обычных условиях испаряются. В закрытой системе равновесное распределение между жидкостью и паром постоянно для конкретных значений температуры и давления. По договоренности эту постоянную величину называют давлением пара. В обычных условиях такое равновесие для пахучих веществ и ароматов достигается редко, поскольку мы всегда имеем дело с открытыми системами, в которых движение воздуха увлекает за собой молекулы, или те исчезают в результате диффузии». При этом скорость испарения – важнейший параметр: «Скорость испарения может быть связана с давлением пара и энтальпией [расчетным свойством термодинамической системы] испарения. Есть и другие важные параметры, поскольку скорость испарения связана не с равновесием, а с тем, насколько быстро достигается равновесие».

Марго указывает на стоящее перед ним пиво, демонстрируя, как химия управляет процессами в обыденной жизни. «Спирт удерживается водой. Ему трудно, но он постоянно пытается создать равновесие между жидкой и газообразной формой. Он сотрудничает с частью воды. Но поскольку это незамкнутая система – есть ветер, и я иногда раскачиваю стакан – спиртовая фаза уходит. Так что процесс испарения, постоянного изменения сильно зависит от того, что находится в жидкой форме, участвуя во взаимодействиях, и в газообразной форме. Если бы спирт был в парафиновой среде, взаимодействие было бы минимальным. Спирт улетучивался бы достаточно легко. То же самое касается парфюмерных смесей. Есть компоненты, которые вступают в сильные взаимодействия, а есть компоненты, которые отталкивают друг друга. Если у вас есть масло, оно вытолкнет спирт и будет счастливо: просто уйди и оставь меня в одиночестве в моей гидрофобной среде», – смеется он.

Химик из Коннектикутского университета Томас Хеттингер указывает на дополнительную сложность – соотнесение интенсивности компонентов смесей: «Прежде всего, чрезвычайно сложно добиться соответствия интенсивности!» Смесь компонентов с равной интенсивностью – экспериментальный артефакт и не встречается в естественных условиях. «Нужно обеспечить, чтобы вместе находились тридцать разных веществ с равной интенсивностью, но в природе такого не бывает. У вас никогда не бывает тридцати веществ с одинаковой интенсивностью. Интенсивность одних всегда выше, чем других, а интенсивность некоторых намного выше. И поэтому в запахах преобладают отдельные химические компоненты», – добавляет Хеттингер. Это важно для психофизики обоняния, и случай белого запаха требует дополнительных исследований. Гилберт отмечал, что разница в давлении паров отдельных компонентов может оказывать менее выраженное влияние на восприятие (белый запах), и это указывает на силу феномена. «В концептуальном плане очень хорошо, что это было сделано», – заключает Марго.

Содержание обонятельного восприятия, как и цветового, определяется сенсорной системой, которая кодирует и вычисляет физические параметры на основании сигналов нейронов. Поэтому важно понять, что принципы кодирования в обонятельной системе отличаются от таковых в зрительной (см. главы 6–8), поскольку эти принципы определяют создание перцептивных категорий (см. главу 9). Но у модели обоняния с линейной связью между стимулом и ответом есть и другие недостатки.

Химия запахов чрезвычайно сложна. При кодировании запахов учитывается многомерность стимулов. На поведение одорантов при связывании с рецепторами оказывают влияние около пяти тысяч молекулярных параметров. Сравните это со зрительной системой, в которой длина волны определяет спектр видимого света. В следующих главах мы поговорим о том, как эти системы различаются в с позиции кодирования стимулов. А теперь давайте проанализируем сам факт того, что вычисление образов стимулов может происходить по-разному.

Запах вещей

Весь XX век химики надеялись научиться предсказывать запах на основании структуры молекул. Однако ими двигал интерес не к восприятию запахов, а к коммерческому производству синтетических парфюмерных материалов. «Я должен сказать, что этим занимались многие химики, – рассказывает Гилберт. – И отчасти это делалось в промышленности. Люди создавали новые молекулы и проверяли, можно ли их воспроизвести в коммерческих интересах. Эти ребята пытались представить себе… сделает ли гидроксильная группа запах более пряным? Существует ли какой-то химический код? Бесплодные затеи, поскольку запах здесь, – показывает он на голову. – Запах не кодируется никакими структурами».

В химии ароматов продолжаются исследования связи структуры молекул с запахом, часто без учета биологии. Как заметила Воссхолл, это результат прагматического мышления: «Им нужно создавать компоненты духов, которые составят фантастические ароматы, и у них нет большого интереса к фундаментальной науке. Они заняты бизнесом, они должны делать деньги. И поэтому им нужны ингредиенты, но у них нет времени на [биологические тонкости]».

Но химия не соответствует воспринимаемому пространству. Смит комментирует: «Фантазия химиков – то, что, узнав структуру одорантов, они узнают их перцептивные свойства. Так не работает. С натяжкой они могут к чему-то прийти, но это лучшее, что они сумеют сделать. Я не думаю, что это поможет нам глубже проникнуть в природу восприятия запахов как таковых или запахов как промежуточного звена между молекулой и нюхающим».

И все же что означает сходство молекул в рамках моделей, связывающих структуру молекул и их запах? Марго отмечает: «Есть много методов для подробного изучения, что делает две молекулы одинаковыми или разными. Не существует какого-то универсального правила, позволяющего сказать, что две молекулы схожи или несхожи, поскольку на бумаге они могут быть очень близки, но между ними – огромная пропасть. Так называемые энантиомеры [молекулы, являющиеся зеркальным отображением друг друга] очень похожи, как предмет и его отражение, но они совсем разные».

Действительно, существует множество отклонений от правил, связывающих структуру молекулы и ее запах. Есть несколько примеров почти идентичных по структуре одорантов с достаточно сильно различающимися запахами, например, изостеры. Напротив, различные по структуре молекулы могут производить удивительно похожие запахи. Прекрасный пример – мускус, важнейший ингредиент многих духов. Мускусы очень разнообразны, как показано на рис. 3.2. Вы видите четвертичный мускус тоналид, макроциклический мускус мускон, нитроароматический кетон и алифатический гельветолид. Откуда нос знает, что все они пахнут мускусом?

Кроме того, даже мономолекулярные растворы не всегда пахнут одинаково. Известно несколько случаев, когда запах зависит от концентрации гомогенного раствора. Например, раствор этиламина (CH_3CH_2NH_2). Концентрированный раствор издает аммиачный запах, а разбавленный пахнет рыбой. Аналогичным образом, дифенилметан ((C_6H_5)2CH_2) в концентрированном виде пахнет апельсином, а в разбавленном – геранью[179].

РИС. 3.2. Примеры разных по структуре молекул с запахом мускуса. Источник: © Ann-Sophie Barwich.

Однако Келлер считает, что эти известные примеры объясняются возможностью опубликовать результаты: «В случае 99,5 % запахов восприятие совсем не изменяется. Могу я это на это сослаться? Нет, поскольку теперь нет таких дотошных и глупых людей, которые провели бы такой эксперимент. Но когда выясняется, что запах какого-то вещества зависит от концентрации, это проверяют и пишут статью, так что я могу процитировать, что такое-то свойство меняется с разбавлением. Но я не могу процитировать, что оно не меняется. Каждый, кто работает с запахами, знает, что более чем в 99 % случаев они не меняются. Люди, которые не работают с запахами, а лишь знают о них из литературы, думают, что запах всех веществ сильно зависит от концентрации. Но это исключительные случаи».

Объяснение таких отклонений нужно искать в системе, допускающей подобные эффекты. Экри рассказывает, что примеры, когда качество запаха изменяется в зависимости от концентрации, связаны с присутствием в молекуле двух активных участков (аналогично тому, как в молекуле антигена могут существовать два разных эпитопа). Например, 2-метил-изоборнеол (C_11H_20O) в низкой концентрации имеет землистый запах, а в высокой – запах камфоры. Если вы посмотрите на его структуру, с одной стороны, он похож на камфору (C_10H_16O). Но он также похож на геосмин (C_12H_22O), а порог восприятия для геосмина в тысячу раз ниже, чем для камфоры. Если бы порог восприятия двух молекул был одинаковым, мы бы не чувствовали никакой разницы в запахе. Следовательно, для объяснения устойчивости и вариаций в восприятии запахов нужно понимать сенсорные механизмы, такие как связывание молекул, а не только структуру стимулов как таковых.

Сложность химии запахов дополнительно возрастает в случае смесей. Обычный обонятельный опыт строится не на восприятии отдельных веществ в контролируемых лабораторных условиях, а на восприятии смесей из многих компонентов. Почти все запахи в обычной жизни – запахи смесей.

Такие комбинации состоят из нескольких десятков или даже сотен молекул. В аромате кофе присутствует 655 летучих компонентов, а в аромате чая – 467. В клубнике содержится около 360 ароматических веществ, в помидорах – 400. Даже запах менее ароматных продуктов, таких как рис и картофель, определяется присутствием 100 и 140 соединений соответственно[180].

Смеси действуют не так, как мономолекулярные соединения: их влияние не аддитивное. Их запах – не просто сумма запахов составляющих их молекул. Марго добавляет: «Это означает, что реакция, которая реализуется с двумя конкретными веществами, не обязательно будет такой же, как с двумя другими веществами в тех же условиях. Требуется интуиция, чтобы понять, как поведет себя молекула». Характеристики одоранта иногда меняются непредсказуемым образом в разных химических растворах (что подтверждают парфюмеры).

Кроме того, состав обонятельных стимулов зависит от внешних условий. Носу постоянно приходится сталкиваться с неустойчивыми образованиями. Состав ароматических потоков в воздухе часто меняется. Загляните в сад, и вы заметите различия в запахах в зависимости от суточных и сезонных ритмов растений. Молекулярные составляющие аромата розы утром и вечером сильно разнятся.

Но мы все равно воспринимаем этот аромат как аромат розы. Рэнди Рид замечает: «Наша способность идентифицировать аромат остается постоянной при увеличении его на много порядков. Мы чувствуем запах розы. Розой пахнет на расстоянии десяти футов. Розой пахнет, когда она находится в двух дюймах от нашего носа. При этом концентрация тех соединений, которые вы, вероятно, воспринимаете в качестве запаха розы, даже если там один чистый компонент, совершенно разная». Он связывает это с отображением запаха на уровне нейронов: «Дело в том, что активность обонятельной луковицы при одной концентрации не такая же точно, как при другой. Как мы можем разделять все это и по-прежнему называть запахом розы? Как достигается согласованность восприятия?»

Так биология окончательно разбивает мечту о линейных закономерностях, связывающих структуру молекул с их запахом. Рассмотрим свиной феромон андростерон – первый идентифицированный феромон млекопитающих. Это прекрасный пример, объясняющий главенство биологии в кодировании запахов. Марго рассказывает, как восприятие андростерона зависит от чувствительности рецепторов. «Если вы очень чувствительны, он пахнет застарелой мочой и вызывает неприятные ощущения. Если у вас средний уровень чувствительности, вы опишете его как запах древесины или травы или даже цветов. А люди с очень низкой чувствительностью скажут, что он неяркий и почти не ощущается. Это исследовал замечательный человек Гэри Бошам». Бошам также обнаружил, что чувствительность к андростерону может меняться с возрастом[181].

Одна из причин такой вариабельности – генетическая. Марго процитировал ранее уже упомянутую нами статью Келлера, Чжуана, Воссхолл и Мацунами от 2007 года, в которой сообщалось, что «7D4 – это рецептор, который выраженно и избирательно реагирует на андростерон и андростадиенон». К сожалению, ученые не распространили свое исследование на другие структурные аналоги. В публикации описано несколько генетических вариантов рецептора, а в популяции встречаются два основных варианта, различающиеся тремя мутациями. Если вы гомозиготны по трем мутациям (имеете одинаковые аллели генов на двух хромосомах), скорее всего, вы не чувствуете запах андростерона. Если вы гомозиготны по исходному варианту рецептора, вероятно, вы можете его почувствовать. Но это лишь часть истории: «Можно вызвать чувствительность к андростерону у нечувствительных людей, так что они будут описывать этот запах как древесный; а после долгого воздействия у них разовьется повышенная чувствительность, и они будут говорить, что пахнет мочой». Так что по мнению Марго «появляется больше вопросов, чем ответов».

Нос не просто справляется с очень необычными стимулами: носы разных людей присваивают разные «запахи» одному и тому же стимулу. Не удивительно ли это? Поэтому возникает вопрос, как сенсорная система обеспечивает стабильность восприятия. Исследования поведения показывают, что восприятие запаха удивительно постоянно даже в случае ослабления стимула (при уменьшении состава спектра запаха).

Такое постоянство восприятия основано на заученном распознавании образов, как подтверждили эксперименты нейробиолога Дональда Уилсона из Нью-Йоркского университета[182].Мышей тренировали распознавать смесь пахучих веществ, а затем удаляли из смеси отдельные компоненты. При этом реакция мышей на стимулы не изменялась. Однако добавление нового элемента к смеси приводило к изменению реакции. «Мы провели биометрическое исследование, в котором проверяли воздействие на мышей смеси из десяти компонентов. Мы либо удаляли из смеси компоненты, либо добавляли компонент, который называли примесью. Мы проверили, наверное, дюжину смесей в обоих вариантах. Вне зависимости от того, какой была смесь, животные это понимали. Они очень быстро учились распознавать, что в смесь что-то добавили. Однако им было сложно заметить, что чего-то не хватало». Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу о распознавания образов в обонянии[183]. Для Шеферда это звучало, как музыка: «Система обрабатывает образы!»

В конечном итоге такие примеры взаимосвязи между сложными стимулами и ответом показали, что такое запах: восприятие запаха – это интерпретация организмом физической информации. Эту интерпретацию, составляющую содержимое восприятия, нужно моделировать через биологические механизмы, которые кодируют стимулы и определяют распознаваемый образ. Распознавание зависит как от физического стимула, так и от заученной поведенческой реакции.

Неверно говорить об объектах обоняния как об отражениях стимула, поскольку это скрывает важнейшие биологические и когнитивные процессы, которые определяют, почему одоранты имеют тот или иной запах. Биологические и психологические факторы влияют на организацию физической информации в виде обонятельных категорий. Нельзя исключать из рассмотрения процесс перцептивного кодирования. Опасность, по мнению Гилберта, заключается в том, что «это такая же ошибка, как ожидать, что характер запаха каким-то образом закодирован в структуре молекулы. В данном случае вы по-прежнему предполагаете, что характер запаха закодирован во внешних физических связях и не зависит от того, кто запах воспринимает». Химия стимулов – не рациональный подход к определению запахов как перцептивных категорий.

Запахи как элементы разума

Обоняние нельзя традиционным образом отнести к внешним или внутренним процессам, в рамках которых философы рассматривают проблемы разума. В данной главе говорится о том, что объяснение перцептивного содержания невозможно вывести только из описания пространства физических стимулов. Опыт восприятия запахов не сводится к химии запахов, поскольку он зависит от воспринимаемых качеств физического стимула, которые, в свою очередь, определяются биологическими условиями извлечения, сочетания и интеграции физических характеристик. Иначе, как суммировал Смит, мы «спутаем носитель и содержимое отображения».

Запахи – элементы разума. А разум лучше понимать с точки зрения динамики обработки сигналов, а не через анализ моментальных снимков ментальных процессов. В таком контексте запахи передают множество смыслов из области сознательного и несознательного восприятия.

Например, запахи становятся объектами познания, когда мы связываем их перцептивное содержание с семантическими объектами. Их концептуализация позволяет обдумывать и передавать наш опыт и напрямую сравнивать его с другим опытом восприятия. В качестве объектов познания запахи возникают в рамках сознательного опыта и как часть перцептивных образов разной модальности, даже если мы не всегда осознаем запахи именно как обонятельные ощущения. Или они формируют объекты нашего внимания, когда мы осознаем обонятельные ощущения, не обязательно создавая при этом концептуальное содержание.

Многослойность обонятельного восприятия означает, что его содержимое нельзя объяснить без понимания механизмов обработки сенсорных сигналов. Глубоко неверно говорить о запахах как таковых – как о вещах вне мыслительной среды. Значение запаха связано с процессами его восприятия. Запах – это интерпретация физической информации в контексте непрерывной физиологической и когнитивной активности. В конечном итоге, один и тот же стимул может быть интерпретирован по-разному и формировать разные обонятельные образы.

Рассмотрим в качестве примера сульфурол (C_6H_9NOS). Парфюмер Кристоф Лодамиель использовал сульфурол на открытом симпозиуме «Чувство запаха у человека», организованном в апреле 2017 года в Колумбийском университете[184]. Он раздавал присутствующим смоченные в сульфуроле полоски бумаги, просил понюхать их и описать запах. Реакции были разными. Не было понятно, что это за запах. Он был органическим, немного отдавал по́том, был чуть сладковатым и жирным. Он не был неприятным, но и очень приятным – тоже. Что это было? Лодамиель удивил публику, показав картинку с изображением теплого молока. Конечно, это был запах теплого молока! По аудитории пробежал шепот. Но Лодамиель сменил изображение молока на изображение ветчины. Все внезапно почувствовали запах ветчины! То же вещество, та же пахучая полоска, но восприятие полностью обновилось при смене изображения. Лодамиель чередовал картинки еще и еще, и каждый раз менялось восприятие запаха сульфурола. От ветчины к молоку (ветчина исчезала!) и обратно. Келлер рассказывал: «Как будто при смене изображения менялся запах!»

«Со мной происходит то же самое, – улыбается Лодамиель. – Я знаю этот запах. Я знаю, какую картинку сейчас покажу. И каждый раз, когда я смотрю на картинку и вижу мясо, я чувствую запах ветчины. Это неконтролируемо». Он молчит, а потом продолжает: «Мозг очень быстро учится это делать. Вы видите, что люди не тренировались. Они никогда раньше не чувствовали запаха этой молекулы. И, честно говоря, запах теплого молока не очень распространен. Люди его знают, но он не из тех запахов, которые они обычно узнают».

Такая же ситуация наблюдается со смесями. Лодамиель создал новый запах с аналогичным эффектом: «На одной картинке изображена библиотека с сильно потемневшими деревянными балками и мебелью с красной бархатной обивкой. Здесь пахнет какими-то пряностями, бархатом и чем-то подобным. Потом я показываю другую картинку с книжными полками. Дерево гладкое, светло-бежевое, простые оттенки. И вы уже не «видите» никаких пряностей. Это невероятно. Вы вдруг начинаете чувствовать запах старой бумаги внутри книг». Существует множество версий подобных фокусов восприятия. Еще в одном примере поначалу вы чувствуете запахи леса и ягод, а потом Лодамиель показывает изображение оленя, и вы думаете: «Боже! Как я мог не заметить животное, находящееся прямо у меня перед глазами? Внезапно вы видите оленя, которого раньше не видели».

Соответствующий запаху образ определяется процессами, в которых участвует. Что это означает для репрезентативных теорий восприятия, что делает образ запаха точным отражением его источника? Ответ на эти вопросы связан с физиологическими и психологическими механизмами, создающими образ запаха. Точность категоризации информации, передаваемой физическим стимулом, в схеме восприятия зависит от того, в каких процессах задействован этот стимул.

Многие запахи, такие как запах сульфурола, неоднозначны и могут соотноситься с разными смыслами. Интерпретация восприятия такого стимула, как сульфурол, в виде объекта материального мира может соответствовать разным концепциям; в данном примере Лодамиель использовал теплое молоко и ветчину. Но этому запаху могут соответствовать и другие образы, например, бобы. Следовательно, «точность» отражения зависит и от интуитивно понимаемого содержания стимула, и от условий интерпретации.

Мысль о точности перцептивного представления в совокупности с мыслью об определенном универсальном результате восприятия – философская идея, глубоко вводящая в заблуждение. Как если бы Лодамиель показал вам изображение розы – и вы бы почувствовали запах розы. В таком случае ваше восприятие обманчиво, конечно, если у вас нет очень необычной мутации в районе неких генов обонятельных рецепторов (как в случае с кориандром). Одоранты могут иметь несколько интерпретаций, но они не случайны: они основаны на химических свойствах стимулов. Однако их восприятие зависит от диапазона рецепторов каждого человека. Что если бы Лодамиель показал вам изображение ветчины, а вы бы почувствовали запах молока? Ответ зависит от того, какой процесс вы исследуете: проверяете точность отображения на основании семантического соответствия (интеграция обонятельного стимула в перекрестной модальности) или ассоциаций (возможных образов, связанных с предыдущим альтернативным опытом восприятия того же обонятельного стимула)?

Восприятие запаха – не просто сенсорная абстракция физических характеристик, но активная интерпретация в соответствии с некоторыми параметрами (ментальными и биологическими). Трудность в том, чтобы идентифицировать правильные параметры для модели обработки обонятельных сигналов.

Эти параметры касаются поведенческого значения запахов (см. главу 4), а также разных уровней биологического кодирования и извлечения информации из стимула (см. главы 5–8). Определение ментального содержания обонятельных стимулов на основании их химического строения не позволяет учитывать динамический обонятельный опыт в качестве психологической активности. Как сказал Дэниель Деннет: «Это все равно что забыть, что конечный продукт яблони – не яблоки, а новые яблони»[185].

Глава 4. Как поведение зависит от химии: аффективная природа запаха

Запах позволяет нам выбирать объекты и по-разному реагировать на них. Он меняет наше отношение к предметам из окружающей среды и наше взаимодействие с ними. Обоняние – это инструмент для принятия решений. Запахи в буквальном смысле заставляют нас двигаться. Они притягивают или отталкивают, они побуждают или останавливают. Вы поворачиваете голову туда, откуда доносится запах бекона; запах фекалий заставляет отвернуться; некоторые запахи, такие как аромат лаванды, успокаивают, другие, как запах мяты, освежают. Барри Смит, рассуждая об обонянии, подчеркнул важную связь между действием и восприятием: «Мы начинаем лучше это понимать. Если мы и усвоили что-то за последние десять или пятнадцать лет (на самом деле еще раньше, со времен Теодора Фонтейна[186]), так это то, что восприятие – не однонаправленный процесс пассивного поглощения информации из внешнего мира. Мы повсюду ищем связи между восприятием и действием, так почему бы не с помощью запаха?»

В промышленности знают о притягательной силе запахов. Когда вы выбираете шампунь, лосьон, мыло или моющее средство – все, что связано с уходом за телом и домом – вы выбираете то, что хорошо пахнет. Иногда вы выбираете что-то с запахом, подходящим для конкретного случая (например, свидания). В магазине часто можно заметить, как при выборе продукта люди открывают его и нюхают, прежде чем принять решение. Шампунь может хорошо избавлять от перхоти вне зависимости от запаха, но производители знают, что его нужно продавать в пяти или более вариантах с разным ароматом, чтобы заинтересовать более широкую часть населения, поскольку люди покупают шампунь просто потому, что он приятно пахнет.

Современный мир изобилует ароматическими продуктами. Целая отрасль производства занята созданием и продажей запахов. Только в США такие товары (от дорогих духов до мусорных мешков с отдушкой) ежегодно приносят свыше 28 миллиардов долларов[187]. «Верьте или не верьте, но это невероятные цифры, – рассказывает парфюмер Гарри Фримонт. – Рынок средств для смягчения белья оценивается в 1,2 миллиарда, а рынок средств для усиления запаха, составляющих сравнительно новую категорию продуктов, уже приблизился к 500 миллионам. Это интересно, если задуматься».

Запах действительно влияет на поведение людей, и не только при покупке духов или других средств. Нос постоянно руководит нашими суждениями об окружающем мире. С помощью носа мы осуществляем выбор и принимаем решения. Но не все решения, основанные на запахе, являются осознанными или вызывают какие-то концептуальные образы. Запах может направлять поведение, не проявляясь на первом плане сознания.

Осознаете ли вы, к примеру, что постоянно используете руки как дополнительный инструмент, помогающего носу получить химическую информацию об окружающей среде? Понаблюдайте за людьми. Вы удивитесь, как часто они дотрагиваются до лица руками, чтобы их обнюхать. Это неосознанное поведение привлекло внимание Ноама Собеля. Его группа регистрировала, как участники эксперимента, не зная о его целях, обнюхивали руки после рукопожатия с экспериментатором[188]. Они также обнаружили, что люди, находясь в одиночестве, около 22 % времени держат хотя бы одну руку около носа и усиленно принюхиваются. «Вы когда-нибудь ловили себя за этим занятием?» – интересуется Стюарт Фаерштейн. «Да. Безусловно», – соглашается Дон Уилсон. «Это действительно меня беспокоит, – продолжает Фаерштейн. – В половине случаев я даже облизываюсь, что, вообще говоря…» – он замолкает и усмехается.

Нос обрабатывает множество сигналов, о которых мы не подозреваем. Это не означает, что такие сигналы не достигают порога сознательного восприятия. Это просто показывает, что, фокусируясь только на характеристиках, мы осознано признаем невозможность понять основы перцептивного поведения, включая его неконцептуальное содержание. Наше понимание восприятия должно отражать этот факт. Мы не поймем суть обоняния, если при описании восприятия ограничимся утверждениями типа «пахнет апельсином» или «это запах роз». Исключая из анализа восприятия неосознанные и неконцептуальные процессы, мы искусственно отрываем осмысление восприятия от тех условий и элементов, которые приводят к сознательному опыту.

Обоняние сообщает нам о свойствах внешнего мира нечто, не связанное с результатом в виде конкретных образов или концептуальных объектов. Распознавание в обонянии основано на заученных ассоциациях. Эти ассоциации могут сопровождаться набором ощущений или эмоций. В сфере торговли это быстро усвоили и начали использовать. Например, многие сети отелей просят парфюмеров создавать для них специальные ароматы – приятную основу ощущений, ассоциирующихся у потребителей с их брендами.

Философ Клер Бэтти из университета Кентукки сводит запахи главным образом к феноменологическим ощущениям, или «чувствам», которые «свободно перемещаются» и «не связаны с объектом»[189]. Она считает, что запахи – проявление сознания или модификация сознательного опыта, которые не требуют точного воспроизведения источника. Отчасти это справедливо. Но картина неполная. Нет сомнений, что запахи – качественная категория, сообщающая вам что-то, что вы чувствуете как некий опыт. Но все же обоняние передает человеческому мозгу нечто большее, чем ненаправленные ощущения. Обонятельный опыт отражает конкретный материальный опыт. И он заставляет нас действовать в ответ на конкретные сигналы из внешнего мира и иногда идентифицировать их источники. Заметьте, что последнее, от чего избавляются члены семьи умершего – это одежда, поскольку она все еще хранит его запах.

Эмоциональное содержание стимула заставляет нас двигаться и целенаправленно отвечать на то, что происходит вокруг. При оценке стимула важно, каковы воспринимаемые материалы или как мы их классифицируем. Джей Готтфрид замечает: «Мы придаем вещам ценность. Многие сенсорные системы выполняют более серьезную функцию, чем просто идентификация объектов. Это не преуменьшает ее роль, но в конечном итоге сенсорные стимулы из внешнего мира изменяют наше поведение. На вопрос «где» можно верно ответить, только уточнив – «что». Иными словами, вы не просто перемещаетесь в поисках источника запаха. Вас отталкивает или притягивает какой-то обонятельный признак объекта. Чтобы приблизиться к источнику, вы должны держать в голове, что именно вы ищете. «Что» в вопросе складывается с «где» и определяет, как приблизиться к источнику или удалиться от него».

Эмоции вносят вклад в интенциональное[190] состояние организма[191]. Они передают ценность какого-то внешнего фактора. Это не беспредметное ощущение: оно направлено на нечто во внешнем мире. Оно содержит суждение об этом. Мера ценности определяется тем, кто данный сигнал воспринимает; она зависит от склада ума и опыта наблюдателя, а также психологических и физиологических условий (беременности, усталости, похмелья или голода). Эмоции относительны.

Но относительность не означает случайность. Эмоции в обонянии возникают из интеграции физиологических и психологических процессов на многих уровнях; кроме контекста и конкретного стимула, они зависят от индивидуального и культурного развития. Обоняние опосредует взаимодействие с миром разными путями. Но природа эмоций и их роль совсем не очевидны. Оценка запаха связана не со специфическими физическими характеристиками стимула, а с интерпретацией отдельных элементов в свете разных процессов внутри воспринимающего и действующего организма. Как обоняние влияет на поведение? В этой главе, отвечая на данный вопрос, мы окажемся в центре проблемы человеческого обоняния: поведенческие реакции на запах зависят от контекста и обучения. Эти приобретенные связи становятся мощными стимулами для воспоминаний, иногда несущих эмоциональную нагрузку. И теперь мы переходим к обсуждению обонятельной памяти.

Обонятельная память: о чем не упомянул Пруст

Бытует мнение, что запах неразрывно связан с памятью. На всем протяжении истории люди замечали, как запахи влияют на воспоминания и эмоции. Якобы (нет цитаты-подтверждения) французский философ Жан-Жак Руссо сказал, что запах – это суть памяти и желаний. Кроме того, Руссо считал, что «ощущение запаха неразрывно связано с воображением»[192] (а это уже достоверная цитата). В том же ключе американский врач и поэт Оливер Уэнделл Холмс-старший позднее замечал, что «воспоминания, воображение, былые чувства и ассоциации легче передаются через ощущение запаха, чем по любому другому каналу»[193]. Эта идея соответствует эстетике парфюмера Жан-Поля Герлена, сказавшего: «Запах – самая интенсивная форма воспоминаний»[194].

Первое, что приходит в голову в связи со сложной связью запаха и воспоминаний – это известный эпизод из романа французского писателя Марселя Пруста. В книге «В поисках утраченного времени» Пруст вспоминал случай из собственной биографии, который фактически стал синонимом человеческого понимания обоняния. Пруст рассказал, как обмакивание мадлены (маленького французского печенья) в чашку чая вернуло ему детские воспоминания.

И тотчас же, удрученный унылым днем и перспективой печального завтра, я машинально поднес к своим губам ложечку чаю, в котором намочил кусочек мадлены. Но в то самое мгновение, когда глоток чаю с крошками пирожного коснулся моего нёба, я вздрогнул, пораженный необыкновенностью происходящего во мне. Сладостное ощущение широкой волной разлилось по мне, казалось, без всякой причины. Оно тотчас же наполнило меня равнодушием к превратностям жизни, сделало безобидными ее невзгоды, призрачной ее скоротечность, вроде того, как это делает любовь, наполняя меня некоей драгоценной сущностью: или, вернее, сущность эта была не во мне, она была мною. Я перестал чувствовать себя посредственным, случайным, смертным. Откуда могла прийти ко мне эта могучая радость?[195][196]

Пруст припомнил смутное, но пленительное ощущение. Поначалу оно не соотносилось с каким-либо конкретным образом. И потому он продолжал анализировать психологические корни этого опыта, отделяя внутреннее ощущение от нынешнего источника:

Я чувствовал, что она была связана со вкусом чая и пирожного, но она безмерно превосходила его, она должна была быть иной природы. Откуда же приходила она? Что она означала? Где схватить ее? Я пью второй глоток, в котором не нахожу ничего больше того, что содержалось в первом, пью третий, приносящий мне немножко меньше, чем второй. Пора остановиться, сила напитка как будто слабеет. Ясно, что истина, которую я ищу, не в нем, но во мне.

Запах обладает способностью вызывать воспоминания, которые могут полностью затмить сознание и захватить воображение. Иногда такие «взрывы обоняния» почти физически прорубают окно в прошлое. Психологи вполне оправданно называют такое состояние «эффектом Пруста»[197]. Эйвери Гилберт, кажется, не в такой степени попал под влияние Пруста: известный неторопливостью повествования, тот подробно описывает утомительный интеллектуальный процесс возрождения воспоминаний. В книге «Что знает нос» Гилберт отмечает, что «Борьба Пруста с обмакиванием мадленки совершенно очевидно отличается от того, как большинство людей переживают вызванные запахом воспоминания. У большинства из нас такие воспоминания возникают в голове легко. Это плохо соответствует репутации [Пруста] в качестве чувственного певца ароматов». И добавляет: «Есть еще одно важное замечание относительно эпизода с мадленкой: оно полностью лишено чувственного описания. На четырех страницах Пруст, этот «сластолюбец запаха», не дает ни единого определения запаха или вкуса, ни одного слова о вкусе печенья или чая»[198].

В том-то и проблема. Эпизод с мадленкой не дает никакого понимания реального характера этого опыта. В нем нет ответа на вопрос, в чем состоит обонятельный аспект воспоминаний Пруста. Опыт с мадленкой не имеет обонятельного содержания. Можно даже сказать, что это вообще не о запахе. Аромат мадленки составляет основу для психологического восстановления воспоминания – воспоминания, которое отражает психическое состояние человека без обязательного отражения конкретного предмета из окружающего мира. Воспоминания Пруста касаются не мадленки, которую он ест, а контекста, в котором он ел ее когда-то раньше.

В данном случае запах открывает двери всевозможным видам воспоминаний о некоем опыте. Хотя обонятельный опыт связан с чем-то конкретным, он не связан со стимулом, действующим в настоящий момент. Это ключ к пониманию, как запахи влияют на поведение. Как мозг осмысляет обонятельные воспоминания для возрождения времени и предметов из прошлого? Являются ли обонятельные воспоминания более выразительными, чем все другие сенсорные воспоминания? Так считает Рашель Герц, психолог из Брауновского университета: «Обонятельные воспоминания более яркие. Вы переноситесь назад во времени и пространстве. Скажем, вы вспомнили время, когда ходили с дедушкой в кино. Запах попкорна может вызвать это воспоминание. Если триггер зрительный, словесный, тактильный или какой-то другой, вы тоже восстановите содержимое воспоминания. Но запах покажет и то, что вы чувствовали тогда рядом с дедушкой, и связанные с этими воспоминаниями эмоции в случае обонятельного стимула являются гораздо более сильными».

Тереза Уайт добавляет, что интенсивные эмоциональные реакции в автобиографических воспоминаниях характерны не только для обоняния. «Музыка тоже способна это сделать. Вы слышите музыкальную пьесу, которая была важной для вас в какой-то момент жизни. С ней были связаны сильные эмоции. И вы возвращаетесь туда. Запахи тоже так умеют. Очевидно, они делают это не все время. Не могут. Мы сталкиваемся с некоторыми запахами так часто, что они скорее приобретают семантический аспект, чем связь с важным эпизодом».

Очарование обонятельных воспоминаний в том, что они почти физически переносят вас в другое место или время. Запахи вызывают воспоминание о присутствии, немедленное физическое воплощение.

«Здесь должно быть что-то для философов и ученых. Почему наши воспоминания о человеке или месте, связанные с запахом, такие живые и реальные». Кристоф Лодамиель предполагает: «Вы там, поскольку эти молекулы находятся у вас в носу. И поэтому ваш мозг думает, что вы там. Это те же самые молекулы. Теперь это другие молекулы, но вы по-прежнему можете видеть себя «там». Это переносит вас в то место и в обстановку того места».

Этот не выражаемый словами эффект материального присутствия, по-видимому, отличает обоняние от других чувств. Лодамиель продолжает: «Когда я вспоминаю песню, чувствую ли я себя внутри того клуба в Берлине? Нет. Если вы воспитывались в церкви, чувствуете ли вы себя в церкви, когда слышите фрагмент проповеди? Но когда я чувствую запах ладана, я вижу себя в том самом монастыре. Если я чувствую этот церковный запах, я ощущаю себя находящимся в церкви». Обонятельные воспоминания подразумевают телесное присутствие. Уайт подчеркивает, что такие возрождающие воспоминания запахи не так часто встречаются по сравнению со всеми запахами в нашей обычной жизни. (Представьте себе, что вы возвращаетесь в прошлое каждый раз, когда ощущаете знакомый запах: вы попали бы в бесконечную петлю обонятельного Дня сурка!)

В ряде исследований, проведенных в 1960-х и 1970-х годах, выдвигалась идея, что обонятельные воспоминания уникальны и отличаются от воспоминаний, связанных с другими чувствами. Знаменитой фигурой в этой области был Трюгг Энген[199].Основная гипотеза состояла в том, что обонятельные воспоминания сохраняются на протяжении всей жизни. По мнению Энгена, установившееся воспоминание о запахе никогда не меняется. Эта идея соответствовала интеллектуальному упражнению с мадленкой Пруста, хотя критики называли ее проявлением «синдрома Марселя Пруста».

Гилберт вспоминает о рождении и угасании идеи Энгена и ее обширном влиянии. «Он работал в Брауновском университете. В начале 60-х он провел эксперименты, которые, казалось бы, продемонстрировали постоянство обонятельных воспоминаний и то, что Пруст был прав». Однако идеи Энгена не выдержали испытания временем. Гилберт продолжает: «Эти убеждения рассеялись довольно быстро. Возможно, лет через десять. Как будто мы перестали в это верить. Обонятельные воспоминания распадаются, меняются со временем, обманывают. Но Энген был великим».

Энген уже давно понял, что любая связанная с памятью функция чувств (зрения, слуха или обоняния) зависит от нескольких факторов, включая степень знакомства человека со стимулом, его возраст, использование вспомогательных средств для запоминания и так далее.

Другим пионером в изучении обонятельных воспоминаний был Билл Кейн, который сначала работал в Йельском университете, а позднее в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Кейн показал, что воспоминания о знакомых и относящихся к ближайшему окружению запахах хотя и не остаются неизменными, но при последующих проверках оказываются более стойкими[200]. Они сохраняются значительно дольше, чем память о стимулах из других сенсорных модальностей. Однако точные механизмы обонятельной памяти, включая ее нейронную основу, продолжают оставаться темой для будущих исследований.

Память – неоднородное явление. Это целый комплекс явлений, связанных со многими когнитивными и нейронными механизмами. И поэтому рассуждать об обонятельных воспоминаниях нужно дифференцированно. С одной стороны, существует память о запахе, с другой – воспоминания, ассоциирующиеся с запахом[201].

Память о запахе как таковом не является ярко выраженной человеческой способностью. Большинство людей без тренировки с трудом вспоминают запахи; им нелегко идентифицировать даже знакомые запахи (см. главу 3). Иногда вы узнаете запах, но не можете точно указать его происхождение. В 1977 году Энген назвал этот эффект «на кончике носа»[202]. Это отсылка к выражению «на кончике языка», когда вы знаете, о чем идет речь, но не можете найти нужные слова или названия. (Обратите внимание, что это не имеет отношения к выражению «краем глаза».)

Контакт или знакомство с новым запахом не приводят к автоматическому формированию долгосрочного воспоминания. Долговременная обонятельная память о запахах требует усилий и тренировок. Кратковременная и долговременная обонятельная память у человека имеют разное назначение. Обонятельное распознавание в краткосрочном плане связано с распознаванием качественных различий в характеристиках стимулов, даже минимальных, если этого требуют обстоятельства. Уайт объясняет: «В краткосрочном плане в отношении запахов самое главное – установление различия или идентичности двух объектов». И уточняет: «Это очень кратковременная обонятельная память. Это важное умение. Когда вы пытаетесь понять, одинаково ли вы что-то делаете, или что последнее вы понюхали и повторяется ли этот запах… То полезное, что вы легко можете делать с запахом».

А что можно сказать о воспоминаниях, ассоциирующихся с запахом? Обонятельные сигналы не являются систематическими мнемоническими инструментами в человеческом поведении. Мы не используем запахи, как зрительные символы, для получения доступа к информации. «Честно говоря, если бы я хотела вспомнить, что нужно купить в магазине, я не стала бы обнюхивать молоко и яйца, – смеется Уайт. – Запах важен для памяти тогда, когда вам необходимо что-то вспомнить, и важно то, как вы это вспоминаете. Когда люди говорят, что это лучшее чувство для восстановления воспоминаний, я думаю, они пытаются указать на его эпизодическую природу. Это ощущение реальности переживания прошлого опыта». Эпизодическая память о запахах строится на особенностях индивидуальных ассоциаций между запахом и памятью конкретного человека.

Особенности не определяются напрямую стимулами. Обычно запахи запоминают, когда в результате связанного с ними опыта человек узнает, что они указывают на нечто иное, кроме собственных характеристик. Герц объясняет: «С точки зрения эволюции не имеет смысла встраивать [в память] все ответы на сигналы, сообщающие о пище или о хищнике (и обоняние играет в этом важнейшую роль), важно скорее учиться на основании опыта, учиться очень быстро, на основании первого же опыта, и этот первый опыт чрезвычайно важен». Однако первый опыт не является закрепленным и неизменным. Внутренние условия (психология наблюдателя) и внешние условия (особенности окружения) обработки запаха постоянно изменяются. Обонятельный опыт и оценка его содержания позволяют переучиваться и перекодировать информацию. Какие-то обонятельные воспоминания сохраняются дольше других, что зависит от их специфического влияния и исходного опыта. Контекстуальный аспект кодирования – тот параметр, который в конечном итоге определяет связь между запахом и памятью.

Обонятельные воспоминания – нечто большее, чем субъективное оживление предыдущего опыта. Воспоминания основаны на перцептивных и когнитивных процессах общей природы, которые можно изучать в человеческой популяции. Возможно, специфические проявления обобщать нельзя, однако поведенческие принципы – можно. Характерный запах кухни вашей бабушки, духи или туалетная вода любимого человека… Это усвоенные ассоциации переменных физических параметров со знакомыми категориями, которые важны для поведения людей как общественных существ. Вам не нужно знать специфический запах гаража моего отца или мадленки Пруста, чтобы понять, что они работают как сенсорные символы детских воспоминаний. Поэтому изучение человеческого обоняния должно строиться на механизмах, с помощью которых внешние сигналы разделяются по категориям и приобретают поведенческое значение.

Запахи как подвижные мишени опыта

Эмоции не прописаны заранее. Это не какой-то предопределенный ответ, автоматически запускаемый в зависимости от структуры стимула. С учетом некоторых важных исключений, таких как запах кадаверина[203] (и даже в этом случае возможны вариации), большинство запахов весьма неопределенны по гедоническому влиянию на человека. Неопределенны в том смысле, что один и тот же стимул может вызывать разные реакции в отдельных экспериментах в зависимости от условий. Интересный и пока остающийся без ответа вопрос: может ли организм обрабатывать более «жестко связанные» в гедоническом плане запахи (такие как запах кадаверина) иначе, чем более гибко ассоциированные (скажем, запахи жира). Важно, что контекст имеет значение для гедонической оценки не только запахов, вызывающих слабый или умеренный ответ, но и тех, которые связаны с более сильными физиологическими реакциями, такими как сексуальное возбуждение и отвращение. Вспомните о запахе тела, который кажется неприятным и даже отталкивающим, когда исходит от подмышек пассажира в метро. Однако при романтической встрече он может оказывать возбуждающее и стимулирующее действие.

Гедонический эффект не зафиксирован в структуре стимула. Он возникает при обработке сигнала сенсорной системой в соответствующей обстановке. Герц предлагает такое сравнение: «Отвращение похоже на запах в том смысле, что ему тоже обучаются. То, что нам кажется отвратительным, связано с контекстом, этому учатся, и это зависит от разных факторов. Все определяется тем, какое значение вы приписываете стимулу. Стимулы как таковые нейтральны. Хорошими или плохими их делает то, какое значение вы им придаете. Это важно для понимания, почему запах и отвращение действуют совместно».

А чем определяется контекст? Важнейший компонент – культура. Люди обучаются приписывать запахам специфическое значение, которое определяет их влияние и различается в разных культурах. Например, в Центральной Европе действие лимона считают освежающим, поскольку его активно используют в моющих средствах. Потребители связывают эти две вещи – лимон и чистоту. В тех странах, где лимоны растут в жарком климате, с обилием пота и переизбытком комаров, запах лимона не всегда ассоциируется с чистотой. Но вот общеизвестная ассоциация лимона с моющим средством привела к тому, что запах лимона редко используют в парфюмерии. Такие продукты не продашь. Захочется ли вам источать запах, который напоминает каждому о только что отмытой ванне?

Культурные ассоциации с запахами зависят от времени и места. Понятно, что это делает почти невозможным создание духов, которые бы нравились всем. Фримонт подтверждает: «Сделать универсальные духи очень сложно. Для этого нужен очень многослойный запах». На протяжении истории стиль духов значительно изменялся[204]. В XIX и начале XX века женские духи имели выраженный животный и мускусный аромат; сегодня в транспорте с большим скоплением людей и при городском стиле жизни такие запахи считались бы слишком назойливыми. Герц рассказывает, что многие классические духи содержали ароматы скандального происхождения:

Chanel № 5 относится к категории запахов «цветочных альдегидов» и содержит ноты альдегидов, жасмина, розы, иланг-иланга, ириса, амбры и пачули. Но кроме того, Chanel № 5 содержит секрет сальника циветы с сильным мускусным и фекальным запахом. Анальный секрет циветы, кабарги (мускусного оленя) и бобра, а также рвота кашалотов (серая амбра) традиционно используются в парфюмерии в качестве фиксаторов. Показательно, что под давлением зоозащитников компания Chanel заявила, что с 1998 года заменила природный секрет циветы синтетическим аналогом. Многие самые популярные духи содержат синтетические фекальные ароматы, такие как аромат индола. Духи Eternity (1988) фирмы Calvin Klein были названы одними из самых индольных среди когда-либо существовавших духов. Интересное наблюдение в том, что на фоне консервативной гаммы 1950-х годов и нашего теперешнего стремления избавить тело от его собственного запаха вновь возрождаются духи с фекальным и телесным ароматом. Однако о присутствии этих животных нот упоминают редко[205].

Другой прекрасный пример для иллюстрации различий в культурных предпочтениях – уд, сырьевой материал с тяжелым и сильным животным и мускусным запахом. Этот компонент роскошных духов часто называют жидким золотом. Его получают из произрастающего в Юго-Восточной Азии агарового дерева (aquilaria), пораженного специфической плесенью. Мнения о привлекательности запаха уда заметно разнятся: он очень популярен на Среднем Востоке, тогда как жители Европы и Северной Америки находят его навязчивым. А запах грушанки? Если вы росли в Америке в 1960-х или 1970-х годах, возможно, этот запах ассоциируется у вас с жевательной резинкой или леденцом и кажется вам приятным. Но многие британцы ненавидят этот запах, поскольку в Великобритании так пахнут обезболивающие мази.

Кроме культурных предпочтений, вариации в гедонической оценке запаха зависят от биологии. Как краткосрочное, так и долгосрочное развитие во многом определяют реакцию организма на стимулы. Томас Хаммел заметил, что обонятельное обучение начинается еще до рождения: «Нравится вам что-то или не нравится, может зависеть, например, от того, воздействию каких запахов вы подвергались, находясь в матке. Ребенок попадает под влияние запахов еще в утробе матери. И это определяет предпочтения. Французские ученые проделали великолепную работу. Бенуа Шааль и его коллеги показали влияние питания матери на протяжении двух последних недель беременности: если она ест что-то с запахом аниса, новорожденный выказывает предпочтение к анису[206].Дети женщин, которые не подвергались этому воздействию, такого предпочтения не демонстрируют».

Обонятельное обучение продолжается на протяжении всей жизни организма. Механизмы биологического и когнитивного обучения при этом переплетаются. Уайт добавляет: «Роль обучения в обонянии огромна. Существует много доказательств, что мы усваиваем информацию о большинстве запахов, с которыми сталкиваемся. Я думаю, это относится не столько к классификации запахов, сколько к их притягательности. Посмотрите на маленьких детей, и вы увидите реальную разницу того, как дети и взрослые относятся к запахам».

«Отличительная особенность восприятия запахов человеком – в возможности изменения ценности запаха, – соглашается Гилберт и предлагает вспомнить коктейльные оливки. – Никому они не нравятся сразу. Дети их ненавидят. Но когда вы научитесь любить мартини, тогда вы оцените и оливку в коктейле: да, это хорошее сочетание». Только, как говорит далее Гилберт, вероятна и обратная ситуация: «Вы можете возненавидеть запах. Приобретенное отвращение к запахам наблюдается очень часто, и ваше восприятие может измениться. Следовательно, оно гибкое. Вы можете его перекодировать. Это когнитивные процессы более высокого уровня». Хаммел отвечает: «Это происходит ежедневно. Мы каждый день меняем или можем изменить свои предпочтения». Гибкость имеет решающее значение для того, чтобы обоняние выполняло свою функцию: помогало нам делать выбор в условиях постоянно меняющейся химической среды и телесных состояний, требующих ситуативных реакций.

Кроме того, запахи могут изменять ценность предметов. Линда Бартощук объясняет: «Вы когда-нибудь слышали об оценочном обусловливании? Это подраздел психологии, изучающий механизмы передачи привлекательности от ценных предметов нейтральным. Обоняние – главная сфера реализации этого принципа, но он также применим и ко многим другим областям. Вы можете взять что-то, что замечательно пахнет, и поместить рядом с нейтральным предметом, и тогда нейтральный предмет станет восприниматься положительно».

По мнению Бартощук, эмоции в обонянии также связаны с мотивацией и обучением мотивации: «Раньше люди считали, что мотивации нельзя научиться. Но этому обучаются. Обоняние – один из прекрасных примеров, а также вкус, поскольку мы определяем и формируем предпочтение и отвращение. Многие люди в истории обучения считали это нелепостью. Так что у нас есть интересное историческое изменение: связь эмоций с мотивацией в этой сфере исследований не учитывалась. Но если вы начнете приглядываться, вы обнаружите нечто вроде оценочного обусловливания, и, по моему мнению, Пол Розин – настоящий герой». Пол Розин из Пенсильванского университета первым начал продвигать исследования оценочной функции запахов в таких реакциях, как презрение, злость и отвращение[207]. Бартощук подчеркивает сдвиг в понимании ценностей запахов: «Вы начинаете спрашивать себя, с помощью каких механизмов можно добиться эмоций?»

Другой фактор, влияющий на гедоническое суждение, – интенсивность воздействия. Один и тот же стимул в разных концентрациях может задавать разный гедонический тон. Вещество может быть приятным в низкой концентрации и очень неприятным в более высокой.

Кроме того, при продолжительном воздействии одна и та же смесь ароматов в одной и той же концентрации может превратиться из приятной в неприятную. Трудно связать воздействие с какими-то специфическими характеристиками стимула, и наивно рассуждать о предсказании молекулярных основ удовольствия. Удовольствие не сводится к молекулярным параметрам. Эмоции – это биологическое, а не химическое явление, а биологические механизмы действуют иначе.

Биология обонятельной системы (см. главы 5–8) направлена на усиление реакций на передаваемую запахами информацию. Однако информация сильно зависит от контекста (одно и то же вещество в разных условиях интерпретируется по-разному) и связана с изменчивым физиологическим состоянием того, кто нюхает (в соответствии с которым измеряется и осмысляется стимул). Благодаря своей аффективной природе обоняние облегчает информированный выбор: к чему держаться поближе, а чего избегать (это касается пищи, людей, ядов и других вещей). Вариабельность чувствительности к запахам эволюционировала по важной причине. Почти любой запах, с которым вы сталкиваетесь, в высокой концентрации может вас убить. Макс Мозель комментирует: «Теоретически большинство того, запах чего вы чувствуете… могло бы вас убить, если бы вы это выпили. Оно ядовито».

Изменения обонятельной ценности и гедонических реакций – полезный ответ сенсорной системы, а не каприз субъективного восприятия. Такие изменения – нормальные реакции на внешнюю информацию, направленную на ваше внутреннее состояние (как физиологическое, так и психологическое). Следовательно, в анализе восприятия стоит отдавать приоритет не случайным проявлениям, а базовым механизмам, определяющим основу поведенческих обобщений.

Познавательная функция обонятельных сигналов

Обоняние несет познавательную функцию именно благодаря своей зависимости от контекста. Чтобы понять, каким образом нос выносит суждения о невидимой реальности молекул в воздухе, нужно иметь общие теоретические представления, в том числе о том, как мы обучаемся придавать смысл молекулам.

Медицина – прекрасный пример для демонстрации познавательной функции запахов в человеческом поведении. Обонятельные признаки имеют долгую историю в медицине и продолжают играть важную роль в медицинской практике. Медицина – зловонное занятие. Болезни вызывают запахи разложения и инфекции, а до появления таблеток лекарства тоже были весьма пахучими. В частности, лечебную силу растений связывали с их заживляющей способностью (вспомните о теории Линнея, обсуждавшейся в главе 1).

В устаревших представлениях о происхождении болезней, таких как теория миазмов, запахи рассматривались как переносчики инфекции. Разные болезни сопровождаются специфическими запахами. Миазматическая теория, хотя и была ошибочной, способствовала усилению некоторых правил поведения в обществе, предотвращающих распространение болезней. И эта идея сохранилась; очистка воздуха оставалась важнейшей задачей на протяжении XVIII и XIX веков[208]. К примеру, Центральный парк в Нью-Йорке был создан как «легкие города», чтобы противостоять вредоносным промышленным испарениям[209].

Запах тела подает множество сигналов о состоянии здоровья человека[210]. Некоторые запахи указывают на метаболические и дерматологические проблемы, свидетельствуя о недостатке ферментов или наличии инфекции. Не все запахи с диагностическим значением неприятные. Болезнь кленового сиропа получила название из-за специфического запаха сладкого кленового сиропа, исходящего от мочи больных детей. Если быстро не начать лечение, болезнь приводит к необратимым неврологическим нарушениям, судорогам, коме и смерти. Еще одна болезнь генетической природы сопровождается появлением у тела рыбного запаха (синдром рыбного запаха, или триметиламинурия). Суть данных примеров в том, что запахи несут определенную познавательную функцию, влияя на поведение человека. Обонятельные сигналы являются хорошим инструментом для предварительной диагностики заболевания. Правильное суждение в буквальном смысле может решить вопрос жизни и смерти.

Кроме общего медицинского значения запахи играют роль и в фундаментальных исследованиях, в частности, в исследовании рака и таких неврологических заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. В ходе недавних исследований рака кожи и других видов карцином ученые обратили внимание на изменения химического состава запаха тела. Нельзя ли по его специфическим изменениям выявить скрытое развитие заболевания? Многое по этому поводу могут сообщить собаки. Специально обученных собак тренируют распознавать образцы тканей, пораженных раковыми клетками, или обнаруживать рак легкого по дыханию человека. Долгое время такие исследования высмеивались и считались мошенничеством, но некоторые важные данные показывают, что отказываться от них преждевременно[211].

Известно, что у собак великолепные носы. Но люди тоже способны улавливать специфические запахи болезней. Вот любопытный случай с британской медсестрой Джой Милн: ее муж умер от болезни Паркинсона, а она обнаружила, что может распознавать болезнь по запаху пропотевшего белья пациентов:

Примерно за десять лет до того, как ее мужу, работавшему консультантом-анестезиологом, был поставлен диагноз, Джой обратила внимание на необычный мускусный запах. Она рассказывает: «У нас был очень беспокойный период, когда ему было примерно 34 или 35, и я постоянно повторяла ему, что он не мылся. Что он плохо чистит зубы. Запах был новый, я не знала, что это такое. Я все время ему об этом твердила, что его довольно сильно раздражало. Так что мне пришлось успокоиться». Медсестра вышла на пенсию и связала запах с болезнью только тогда, когда встретила людей с таким же специфическим запахом в группе поддержки больных с болезнью Паркинсона. Она рассказала об этом ученым на конференции, и последующие исследования Тайло Куната из Эдинбургского университета подтвердили ее способность[212].

Ученые начали работать с Милн, обладающей удивительным талантом распознавать запахи, чтобы понять, какие химические вещества она чувствует, и создать первый диагностический тест для определения болезни Паркинсона по запаху тела. Тренировки и специфическое внимание могут превратить нос в мощный и очень точный инструмент.

Понимание способностей биологического носа может помочь и в разработке искусственного интеллекта. Биофизик с разносторонними интересами Андреас Мершин из Массачусетского технологического института использует натренированных собак в качестве модели при создании биоэлектронного носа для диагностики рака. Мершин начал работать с организацией Medical Detection Dogs в Великобритании после того как прочел книгу Клэр Гест «Бесценный дар собаки»[213]. Мершину стало ясно: чтобы биоэлектронные носы успешно работали, необходимо переосмыслить основу их действия. Инструменты должны стать ближе к органическим системам, эволюционировавшим для решения того, чему мы хотим их научить. И одновременно мы можем изучать соответствующие биологические процессы.

Само обоняние – тоже диагностический признак[214]. Ослабление способности распознавать запахи может указывать на начало тяжелых нейродегенеративных нарушений, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или деменция с тельцами Леви. Хаммел рассказывает: «Первая работа была проведена в 1970-х, а потом главным игроком стал Доти [в 1980-х]. Он и другие показали, что при неврологическом нарушении обоняние очень часто нарушено». Ричард Доти в 1984 году разработал первый клинический метод проверки обоняния – «Набор для идентификации запахов Пенсильванского университета» (UPSIT)[215]. Он объяснял: «При таких состояниях, как болезнь Паркинсона, потеря обоняния наблюдается за годы до появления классических клинических двигательных симптомов. Мы полагаем, что обонятельная система поражается на очень ранних этапах этого заболевания. На самом деле некоторые действующие вещества из окружающей среды попадают в мозг через систему обоняния. Они могут инициировать в обонятельных луковицах некоторые патологические процессы, характерные для болезней Альцгеймера и Паркинсона».

Следом за Доти Хаммел тоже занялся исследованиями клинических проявлений потери обоняния и ее связи с угасанием когнитивной функции[216]. Хаммел участвовал в разработке тест-системы «Sniffin’ Sticks» в 1997 году[217]. В отличие от UPSIT, система «Sniffin’ Sticks» позволяет разделять три параметра обонятельной функции: порог, различение и идентификацию[218].

Хаммел рассказывает: «При болезни Паркинсона наблюдается такое же ослабление обонятельной функции, как при болезни Альцгеймера. Внешне все выглядит одинаково. Конечно, симптомы у пациентов с болезнями Паркинсона и Альцгеймера разные, как и при болезни Хантингтона и других неврологических расстройствах. Просто проверка обоняния покажет, что у человека ослаблено обоняние, обоняние отсутствует или находится в норме. Эта проверка не покажет, чем он болен. Но проверка обоняния в клиническом плане может оказаться очень эффективной. Например, к нам приходит пациент с симптомами болезни Паркинсона. У него нормальное обоняние. И тогда мы отправляем его на пересмотр диагноза. Поскольку, возможно, у него не болезнь Паркинсона, а какая-то иная форма неврологического нарушения».

Доти и Хаммел проделали большую работу, чтобы показать, что обоняние играет чрезвычайно важную роль в клинической диагностике. Доти комментирует: «Это все еще трудная задача. Несмотря на интерес некоторых групп, пока не все медицинское сообщество восприняло идею о необходимости проверки обоняния в неврологии».

Нос – как раз тот инструмент, который позволяет нам многое узнать об окружающем мире и о нас самих. Обоняние выполняет важную функцию: оно обеспечивает нам возможность познания реальных проявлений внешнего мира, если мы учимся это делать и если это важно для нашего поведения. Тем или иным путем нос решает важные задачи во всем, что определяет жизнь человека: опасность, пища, удовольствие… и секс.

Любовь, пот и слезы

Давайте, наконец, поговорим на очевидную тему – на тему секса. Нам нравится думать, что люди тянутся друг к другу, поскольку между ними обнаруживается сильная романтическая связь. Но чаще всего дело в физическом влечении. И часть этого влечения обеспечивается обонянием. Животные подбирают партнеров по запаху. Справедливо ли то же самое для человека? Пытаясь это понять, Гилберт сравнивал мышей и людей. После защиты диссертации во время работы в Центре химических чувств Монелла в Филадельфии и во время работы с Кунио Ямадзаки Гилберт обнаружил нечто интересное. Мыши распознают по запаху мышей двух генетически идентичных видов, различающихся только по генам главного комплекса гистосовместимости (MHC), причем предпочитают спариваться с особями с другим типом MHC, чем у них самих. «Я заинтересовался и подумал, не можем ли и мы улавливать то, что улавливают мыши, – рассказывает Гилберт. – Это привело к моим первым экспериментам с людьми, когда мышей помещали в коробочки для сэндвичей, давали понюхать людям и спрашивали, одинаковый ли у них запах или разный. Это было нечто из разряда историй, когда человек укусил собаку, – смеется он. – А еще я собирал в пробирки мышиную мочу и фекалии и давал понюхать людям. И вот те на, некоторые различали мышей двух типов. Одно генетическое различие, моча, фекалии или все тело – и вы можете обнаружить разницу! Это по-прежнему одна из наиболее часто цитируемых моих статей[219]. Просто забавный эксперимент. Но мы можем с помощью обоняния делать то, что делают мыши».

Люди тоже могут приходить к романтическим отношениям по запаху. Показано, что женщины предпочитают запах пота потенциальных партнеров с таким типом человеческого лейкоцитарного антигена HLA (аналог мышиного MHC), который отличается от их собственного[220]. Более того, предпочтения изменяются в соответствии с гормональным статусом: женщины, принимающие противозачаточные таблетки, предпочитают мужчин с тем же типом HLA. К сожалению, любовь всей вашей жизни может отчасти потерять сексуальную привлекательность при смене средств контрацепции.

Но общественная жизнь – это не только сексуальные отношения. Запахи влияют и на другие формы человеческого общения.

«Лично мне чрезвычайно интересны запахи в общественной жизни, – рассказывает Хаммел. – Как мы общаемся друг с другом посредством запахов. Было несколько очень хороших экспериментов, таких как выявление страха по запаху, или обнаружение приближающейся болезни, или изменение мужского либидо в ответ на женские слезы[221]». Другой пример – предпочтение младенцем запаха собственной матери, которое вырабатывается в процессе грудного вскармливания[222].Однако сохраняйте бдительность: среди подобных примеров легко можно стать жертвой ложных корреляций. Возможно, вы слышали, что запахи способствуют синхронизации цикла менструаций у женщин, но эта гипотеза была развенчана или, по меньшей мере, получила недостаточно доказательств[223].Трудность подобных исследований, как указывает Хаммел, в том, что экспериментам требуется хороший контроль. Нужны большие группы людей, и проводить такие эксперименты трудно. Человеческое поведение сложно и подвержено влиянию разных изменчивых факторов. Результат зависит от очень многих параметров, и не все они известны изначально. Поэтому трудно поставить доказательные эксперименты. Это подтверждается последними дискуссиями о воспроизведении данных в психологии и общественных науках. Но все это не должно останавливать исследования.

На текущий момент мы не знаем, в какой степени запахи определяют человеческие отношения. Продолжают накапливаться интересные и пока не полностью изученные вопросы. Именно в этом направлении мыслит Собель. Его группа в настоящее время проводит обширное исследование «социальных связей, основанных на запахах», в рамках которого ученые пытаются понять, «влияет ли похожее ощущение запаха на установление между людьми хороших отношений»[224]. Ясно, что общение посредством запахов играет важную роль в жизни людей.

Коротко о феромонах

Разговор о роли запаха в сексуальной привлекательности затрагивает еще одну интересную многим тему – феромоны. Что это: миф, рекламный трюк или реальность? Гилберт предостерегает: «Я думаю, концепция феромонов была так растянута для соответствия человеческому опыту, что уже не работает. Верю ли я в то, что мы распознаем по запаху близких людей и человеческие эмоции? Да. Выбор полового партнера, MHC, HLA. Химические сигнальные молекулы действуют постоянно. Но что касается концепции феромонов, я даже не использую больше этот термин».

Гилберт напоминает о другой научной концепции с похожей судьбой. «Вспомните об инстинктах. Какое-то время после Дарвина этот термин использовали чрезвычайно широко. Абсолютно все объяснялось инстинктами. Был инстинкт материнства. Инстинкт самосохранения. Инстинкт опорожнения наполненной пепельницы. Дошло до смешного. И потом люди перестали использовать этот термин. С его помощью уже нельзя было ничего объяснить. Я думаю, то же самое произошло с феромонами».

Феромоны – группа молекул запаха. Это сигнальные молекулы, которые вызывают видоспецифическое поведение – физиологический ответ у организмов одного вида. Какое-то время считалось, что у позвоночных феромоны действуют по особому пути – через хеморецептивный вомероназальный орган (ВНО), отделенный от обонятельного эпителия. Дополнительная обонятельная система обрабатывает сигналы от ВНО в тесном взаимодействии с миндалинами и гипоталамусом. Конечно же, все не так просто, как объясняет зоолог из Оксфорда Тристрам Уайатт: «Все знают о втором носе – ВНО, вомероназальном органе. Большинство традиционных нейробиологов считали, что ВНО, ООЛ и ООС (основная обонятельная луковица и основная обонятельная система) сходятся в амигдале. На периферии, на уровне рецепторов, есть два разных органа, два разных семейства рецепторных белков. Но нейробиологи знают, что выше в мозге все эти сигналы сливаются».

Слияние вспомогательной и основной обонятельной системы было вопросом спорным. Уайатт продолжает: «В конце 1990-х годов молекулярные биологи, такие как Кэтрин Дюлак в Гарварде, утверждали, что все мышиные феромоны улавливаются ВНО, и все, что улавливает ВНО – это феромоны. Во многих статьях в конце 1990-х и начале 2000-х годов феромоны связывались с функцией ВНО. Однако в 2006 году в лабораториях Кэтрин Дюлак и Линды Бак независимым образом было показано, что сигналы от двух обонятельных систем на самом деле интегрируются в амигдале и других структурах мозга, и кроме того, происходят также нисходящие процессы[225]. Тем временем выяснилось, что некоторые феромоны млекопитающих считываются основным обонятельным эпителием, а не ВНО».

Нет единого мнения о том, что такое феромоны. Понять это помогает история термина. Все началось с насекомых. Уайатт рассказывает: «В 1880-х годах первый официальный энтомолог штата Нью-Йорк наблюдал, как самцы мотыльков летят за девственными самками, и рассудил, что если бы мы сумели идентифицировать и синтезировать эти мощные молекулы, мы смогли бы использовать их для контроля распространения нашествия». Слово «феромон» относительно новое. Оно было предложено в 1959 году двумя биологами – Питером Карлсоном и Мартином Люшером[226]. Их работу стимулировало первое открытие химической структуры феромона, сделанное их коллегой химиком Адольфом Бутенандтом: это был женский половой феромон одного насекомого – шелкопряда. К пятидесятой годовщине появления концепции феромонов Уайатт написал заметку в журнал Nature[227]. После этого он получил по электронной почте письмо «от греческого профессора, который работал над диссертацией в лаборатории в Германии, когда впервые появилось это слово». Будучи греком, он возражал против такого названия и считал, что нужно использовать слово pheroRmon. «Однако по фонетическим причинам буква r из слова исчезла». Вот почему появились феромоны. Это искаженный греческий, но такое слово можно произнести. Уайатт также подчеркивает, что слово «феромон» похоже на слово «гормон», что отражает сигнальную функцию этих молекул. Однако в отличие от гормонов, феромоны действуют между телами, а не внутри одного организма. Новое слово сразу вытеснило старый термин «эктогормон».

Когда начались исследования феромонов млекопитающих? «Я вспомнил о Карлсоне и Люшере, так как в их статье в Nature предполагалось, что новое слово «феромон» может относиться и к позвоночным, а не только беспозвоночным».

Идея о существовании феромонов у млекопитающих довольно быстро угасла. «Прошло еще несколько лет, и в конце 70-х люди, работавшие с млекопитающими, начали понимать, что у млекопитающих будет очень сложно найти феромоны и, возможно, мы вообще ничего не найдем. У млекопитающих, в отличие от насекомых, нет такого инстинктивного и врожденного поведения, так что и искать бессмысленно. Был опубликован манифест, какие выпускают группы художников, где говорилось, что у млекопитающих нет феромонов[228]. Концепция феромонов применима только к насекомым. История была переписана».

Однако, как сообщает Уайатт, «в 1980-х были и те, кто утверждал, что у млекопитающих есть феромоны. Одним из них был химик Милош Новотны, который опубликовал серию статей о феромонах мышей[229]. В 2003 году Бенуа Шааль из Дижона обнаружил феромон в молочных железах кролика, заставляющий крольчат сосать молоко[230]. С тех пор было найдено много крупных и мелких молекул феромонов у мышей и других млекопитающих [например, Стивеном Либерлесом в Гарварде][231]. Многие небольшие молекулы обнаруживаются основным обонятельным эпителием (ООЭ), тогда как белковые феромоны, такие как мышиный феромон дарцин, обнаруживаются ВНО».

«Возможно, следует отделять термин «феромон» от понятия индивидуальных запахов, испускаемых каждым млекопитающим, – предлагает Уайатт[232]. – Я выдвинул идею индивидуальных смесей. Хотя все самцы выделяют одни и те же феромоны (однако доминантные самцы могут производить их в большем количестве), каждый самец также имеет свой собственный профиль запаха, свою личную смесь, которую учатся распознавать другие мыши. Если ученый пытается идентифицировать феромон, нужно проанализировать молекулы, которые одинаковы у всех самцов». Феромоны и индивидуальные смеси – не одно и то же. «Это совсем другая концепция того, как животные распознают друг друга, как отличают своих от чужих и как узнают партнера или чужака – все дело в различиях… И поэтому ученый должен найти различия в молекулах запаха, испускаемых каждым организмом. Феромоны накладываются на этот индивидуальный профиль».

Изучение феромонов имеет нечто общее с изучением основной обонятельной системы. В каждой системе из-за гибкости поведения и сложного строения молекул трудно определить четкие концептуальные различия между реакциями организма. Феромоны в качестве хемосенсорных сигналов не отличаются от молекул запахов с точки зрения молекулярной структуры. Разница в том, как организм или вид организмов (группа организмов с общими эволюционными корнями и историей) реагируют на стимул.

Стивен Мангер из университета Флориды считает, что можно рассуждать «о двух категориях запахов. К одной относятся химические соединения (такие как феромоны, кайромоны [межвидовые химические сигналы, приносящие пользу реципиентам, например, паразитам] и алломоны [межвидовые сигналы, приносящие пользу тому, кто испускает сигнал, а не тому, кто его получает]), которые приобрели определенное внутривидовое или межвидовое биологическое значение и вызывают или облегчают врожденный иммунный ответ реципиента. Ко второй категории относятся соединения из внешней среды, которые животное учится связывать с другими сенсорными стимулами или с каким-то контекстом. В последнем случае смысл стимула постигается в процессе обучения. Некоторые соединения попадают в обе категории».

Биология, а не химия определяет, воспринимается ли молекула в качестве феромона или «обычного» запаха. Таким образом, повышенная способность некоторых веществ вызывать специфические реакции зависит от того, что и каким образом отслеживает система. Нужен системный теоретический подход, учитывающий разные уровни измерения, анализа и сравнения поведенческих реакций.

Глава 5. Через воздух: от носа к мозгу

Восприятие запаха помогает ориентироваться в пространстве. Зачем уметь находить важные для поведения сигналы, такие как запах дыма или бекона, если вы не можете понять, откуда они идут? Происхождение обонятельных сигналов не всегда заметно или определяется незамедлительно, но это не означает, что запахи не помогают ориентироваться в пространстве.

«Обоняние – это дистанционное чувство», – замечает Джей Готтфрид. Поведенческая функция нюха в пространственных взаимодействиях, таких как поиск пищи, связана с ключевыми вычислительными принципами обработки сигнала. «Сам факт, что обоняние – дистанционное чувство, определяет его предсказательную функцию». В данном контексте предсказательная функция подразумевает, что мозг, основываясь на предыдущем опыте, предвидит закономерности стимула, что позволяет вовремя сориентироваться в пространстве и соответствующим образом скорректировать двигательные реакции. «Мы ощущаем запах на расстоянии, – продолжает Готтфрид, – и если это важно, имеет смысл не просто восторгаться интересным ароматом, но понять, как приблизиться к его источнику… например, если это еда, партнер для спаривания, дом или что-то подобное. Или если это что-то опасное – хищник, огонь или нечто другое. Суть в том, чтобы приблизить нюхающего к тому, в чем он нуждается, и отдалить от того, чего следует избегать».

Запахи движут нами на уровне чувств. Но как мы физически перемещаемся в направлении их источника? Механизмы ориентации в пространстве с помощью обоняния непонятны на интуитивном уровне. Несмотря на способность регулировать поведение, обонятельная система не представляет содержимое сигнала через пространственные ориентиры, как зрение, которое отражает такие характеристики отдаленных объектов, как их размер, форму и положение[233]. Видимые предметы обладают протяженностью, они характеризуются расположением, движением или направлением. Кроме того, видимые предметы дискретны: они имеют более или менее четкие границы, обычно у них есть начало и конец.

Но каковы пространственные характеристики запаха? Кажется странным рассуждать о его ориентации. Вы можете видеть предмет перед собой, но трудно представить, что значило бы ощущать перед собой запах. Другие пространственные особенности, обычные для зрительного опыта, тоже трудно применить для описания запахов и ароматов. Когда мы пробуем вино, то не говорим, что ноты ежевики находятся справа или слева от нот табака. И невозможность выявить место в пространстве – не результат размытых границ между разными оттенками запаха в сложных смесях. Специалисты по запахам легко выделяют отдельные ноты. Когда при анализе ароматических продуктов, таких как вино, виски или духи, они говорят, что какие-то оттенки запаха расположены «под» другими оттенками, это метафорическое отражение феноменологического разделения рисунка и фона (отделение рисунка от фона позволяет наблюдателю выбрать специфическую информацию на фоне шума).

Нос не передает пространственные характеристики воспринимаемых объектов так, как это делает глаз. Однако нос позволяет нам действовать в пространстве, ориентируясь на эти объекты. Сравнение с другими дистанционными чувствами (зрением и слухом) позволяет выявить причины этой способности. В целом чувственное восприятие сообщает нам о том, что философ XVII века Джон Локк называл первичными и вторичными качествами[234]. Первичные качества не зависят от разума; первичные пространственные качества объектов – это плотность, форма, протяженность, движение, покой. Вторичные качества зависят от разума, то есть, строго говоря, это не свойства объектов, а результат их восприятия.

Звуки – это вторичные качества; они зависят от слушающего и его сенсорного аппарата. Например, ультразвуковые частоты не являются для человека воспринимаемым качеством, поскольку наша слуховая система на них не настроена. Но летучие мыши используют эти частоты для ориентирования в пространстве и слышат что-то, чего не слышит человек. Нельзя ответить на вопрос «Каково быть летучей мышью?», который задал философ Томас Нагель в 1974 году[235]. Дело в том, что при отсутствии соответствующей рецептивной системы физические стимулы не передают информацию о вторичных качествах. Такой же философский довод справедлив для цвета, запаха и вкуса. Только представьте себе, что креветка-богомол имеет пятнадцать цветовых рецепторов. Мир, который видит это создание, совсем не похож на мир, который видит человек.

Цвет, будучи вторичным качеством, не имеет пространственной составляющей. Он не несет пространственной информации. Пространственное измерение зрительного образа включается тогда, когда цвет воспринимается в рамках общей картины, представляющей зрительное отражение предметов и сцен. И тогда цвет передает пространственную информацию. Художники прекрасно знают, что цвет влияет на восприятие расстояния до видимого предмета и даже на восприятие его текстуры или формы. Как пишет нейробиолог Маргарет Ливингстон в книге «Искусство и восприятие: Биология зрения», прогулка по залам музея Метрополитен позволяет вникнуть в принципы работы зрительной системы лучше, чем чтение философских трудов[236]. Зрительные объекты возникают в результате интеграции разных типов обработки сигналов. Зрение строится на двух таких механизмах – цветовом кодировании и распознавании контуров. Распознавание контуров – основа кодирования пространственных измерений. Однако результаты последних исследований поставили под сомнение строгое разграничение между цветовым кодированием и распознаванием контуров при формировании зрительного образа: цветовое кодирование позволяет воспринимать не только цвет, но и пространственные элементы, такие как очертания предметов. Нейрофизиологические исследования выявили, что два механизма значительно перекрываются, даже на периферии. По-видимому, мы еще не настолько постигли механизмы зрения, как принято считать[237].

Система обоняния также определяет параметры в нескольких измерениях. Кроме качества («запах розы») и гедонического аспекта («приятный»), описанных в главах 3 и 4, важна еще интенсивность запаха. На настоящий момент обработка нейронами интенсивности запаха изучена недостаточно[238]. Интенсивность, определяемая концентрационным кодом, не подчиняется принципам кодирования качества. И именно интенсивность обеспечивает пространственный аспект обоняния.

Джоэль Мейнленд называет интенсивность запаха одним из ключевых элементов обоняния и отмечает сложности его изучения и недостаточность этих исследований. «Проблема в том, что трудно заставить животное сообщать об интенсивности и быть уверенным, что мышь сообщает именно об интенсивности, а не о качественных изменениях или другом связанном показателе. Евгений [Сиротин] выполнил замечательный эксперимент, в котором показал, как это сделать, чтобы получить гладкие переходы[239]. Вы не переходите резко от приятного к неприятному, скорее вы создаете плавный концентрационный градиент, определяющий реакцию крысы. Так он сделал работу, в которой показал: вот это – интенсивность. Я повышаю концентрацию, но позволяю вам адаптироваться, так что вы воспринимаете ее с той же интенсивностью, что и более низкую концентрацию. Физический стимул другой, но воспринимаемая интенсивность такая же. Как картина активации нейронов коррелирует с воспринимаемой интенсивностью?»

Мейнленд объясняет так: «Когда вы нашли концентрацию A запаха A и концентрацию B запаха B, в которой они воспринимаются с одинаковой интенсивностью, вы можете использовать два совсем разных стимула, возбуждающих два совсем разных набора рецепторов у животного и представить себе, как кодируется интенсивность. Такие эксперименты трудно провести, пока вы не поймете основополагающие принципы передачи перцептивной информации с учетом ее связи с конечным поведением и не пронаблюдаете ее путь в системе». Кодирование интенсивности остается загадкой. Ее решение позволит лучше понять, как животные ориентируются в пространстве на основании обонятельных стимулов.

Пространство стимулов

Как восприятие запаха сопряжено с двигательной системой? На уровне физических стимулов одоранты являются пространственными объектами. Молекулы – это материальные сущности, обладающие пространственной протяженностью. Одоранты представляют собой летучие химические молекулы, которые движутся и меняют положение в пространстве. В принципе обонятельные стимулы дают организму возможность определить положение предметов в окружающей среде (откуда доносится запах бекона?), а также положение по отношению к наблюдателю (по-видимому, запах идет слева!) Это объединяет зрение, слух и обоняние в группу чувств, действующих на расстоянии (дистальных чувств), которые помогают организму ориентироваться среди окружающих объектов и перемещаться по отношению к ним.

Но дистальные чувства различаются. У стимула нет каких-то характеристик, которые помогали бы людям и другим животным ориентироваться с помощью обоняния. Дело в том, как стимул считывается системой: какие закономерности определяются и как они представляются в виде сенсорных сигналов. И здесь обонятельные стимулы отличаются от зрительных и слуховых сигналов в одном: предсказуемость. Молекулы запахов очень летучие, они распределяются неравномерно и постоянно перемещаются. В отличие от отражения фотонов в зрительной системе, перемещение молекул в воздухе трудно предсказывать или контролировать. Готтфрид описывает, как это сказывается на различиях в строении сенсорных систем. Зрение, реагирующее на предсказуемые стимулы, функционирует как топографическая система, в которой «активация сетчатки всегда связана с конкретной точкой в первичной зрительной коре. Но в случае обоняния в зависимости от направления ветра сигнал может приходить из разных мест». Пространственное восприятие зависит от того, как стимул связан с сенсорной системой.

Обонятельные стимулы из окружающей среды не имеют регулярной или предсказуемой пространственной корреляции с их локализацией в эпителии или в проекциях нейронов. В книге «Объясненное сознание» философ Дэниел Деннет пишет, что именно в этом причина того, что обоняние человека имеет более слабое пространственное разрешение, чем зрение.

Возможно, мы способны почувствовать в комнате слабый след молекул формальдегида, но это не какая-то дорожка запаха или место, где находится источающий запахи объект с витающими вокруг него молекулами; кажется, что вся комната или как минимум целый угол комнаты наполнен запахом. Нет секрета в том, почему это так: молекулы более или менее случайным образом попадают нам в ноздри, и их прибытие в специфические участки эпителия сообщает мало информации о том, откуда они прибыли, в отличие от фотонов, которые по оптически прямой линии проходят через радужную оболочку и оказываются в том месте сетчатки, которая геометрическим образом соответствует внешнему источнику или пути света. Если бы разрешение нашего зрения было таким же слабым, как разрешение нашего обоняния, при полете птицы у нас над головой все небо на какое-то время становилось бы одной большой птицей[240].

Вот в чем различие между зрением, слухом и обонянием как дистальных чувств. Запахи, в отличие от зрительных и слуховых стимулов, непредсказуемы с точки зрения физической траектории в пространстве, расположения и перемещения. Это сказывается на влиянии стимула на систему и на том, как система эволюционирует для наилучшего ответа на такие стимулы. Представьте себе все возможные способы, которыми разные составляющие запаха могут перемещаться по воздуху, случайным образом перемешиваясь и изменяя положение каждую тысячную долю секунды. Мозг не может (да и не должен) рассчитать точную локализацию в пространстве отдельных пахучих молекул. Например, не имеет никакого значения, летит ли молекула аллилгексаноата (C_9H_16O_2) «впереди» или «справа» по отношению к молекуле другого компонента, скажем, этилмальтола (C_7H_80_3) в смеси молекул, определяющих запах ананаса.

Для обработки сигнала обонятельной системой важно не то, как молекулы распределяются в физическом пространстве (в зависимости от движения воздуха), а как эти молекулы взаимодействуют с эпителием, где компоненты облака запаха разделяются за счет временного взаимодействия. Чтобы проследить за распространением запаха в пространстве, достаточно оценить, откуда движется облако молекул, и, возможно, как далеко располагается их источник. Изучение обоняния насекомых показало, что ориентирование по запаху, по-видимому, основано на обработке временной структуры облака запаха. Среди ведущих исследователей в этой области можно назвать Джона Гильдебрандта, Ринга Т. Карде и Майкла Дикинсона[241].

Пространственное измерение в восприятии запаха – не отражение какого-то внутреннего свойства стимула; эта информация формируется в соответствии с воспринимающей системой. Обоняние – контактное чувство, возникающее при непосредственном взаимодействии молекул с эпителием. Обонятельные сигналы передают информацию, необходимую для осуществления действия, а также сообщают об отдаленных явлениях (таких как дым). На самом деле запах – это качество какого-то предмета, вызванное испарением летучих молекул с поверхности предмета. Материальные источники запаха характеризуются локализацией в пространстве. Однако движение воздуха мешает оценивать расположение источника, поскольку нарушает непрерывность градиента. Массимо Вергассола и его коллеги показали, что инфотаксис[242] в соответствии с обонятельными сигналами требует зигзагообразного перемещения в облаках запаха, которые встречаются случайным и прерывистым образом[243]. Чувство обоняния отличается выраженным экстероцептивным (отвечающим на внешнее раздражение) характером: запахи вызывают перемещение к чему-то или от чего-то. И поэтому обоняние – пространственное ощущение, если понимать его как восприятие внешних мишеней для выбора поведения и по отношению к конкретному организму. Однако его пространственный аспект следует анализировать через систему восприятия, а не через характеристики стимула.

Энактивизм и эмбодимент[244]

Важнейшую роль в обонянии играет то, как мы нюхаем. Это не монотонное и автоматическое действие. От того, как мы нюхаем, зависит скорость, сила и характер того, как (и даже какие) молекулы достигают носового эпителия и взаимодействуют со слизью. Макс Мозель отмечает сложность расчета динамики воздушных потоков и перемещения воздуха в носу: «Мы знаем, что рецепторы обладают специфичностью. Но это ничего не говорит о том, как молекулы перемещаются в поле рецепторов». Нужно учитывать количество молекул, объем и время, и «все это в разных сочетаниях. Концентрация характеризуется количеством молекул в единицу времени, а скорость потока – объемом в единицу времени. На основании ответа очень трудно определить, какая из этих переменных важнее. Эти три базовые переменные играют разную роль в зависимости от их сочетания».

То, как мы нюхаем, определяет, какая информация и когда попадает в мозг. Объем воздуха, длительность, скорость и сила вдыхания – измеряемые параметры, регулирующие взаимодействие летучих молекул с обонятельным эпителием. Для достижения порога обнаружения при низкой концентрации одорантов нужно нюхать интенсивнее, чем при более высокой концентрации[245]. Есть некоторые данные о том, что нечто вроде образа запаха может возникать, когда мы нюхаем, даже при отсутствии стимула[246]. Этот процесс обеспечивает нечто большее, чем механический путь доставки молекул к эпителию. Это важнейший этап формирования перцептивного содержания.

У человека и других млекопитающих обонятельная система эволюционировала таким образом, чтобы помогать ориентироваться с помощью обонятельных сигналов через назальный цикл – непроизвольный механизм, при котором скорость дыхания у ноздрей чередуется.

«Колеблется толщина обонятельного эпителия, что приводит к изменению доступа воздуха и, следовательно, скорости поступления воздуха», – поясняет Эйвери Гилберт. Мы не отдаем себе в этом отчет, но наши две ноздри вдыхают воздух с разной скоростью! Одна сторона носа всегда слегка заложена. Поэтому одна ноздря чуть медленнее проводит воздух, чем другая. Ноздри чередуется. Принято считать, что назальный цикл меняется примерно каждые два с половиной часа[247]. Однако гипотеза ритмичности этого процесса не прошла достаточно строгой проверки из-за нехватки статистических данных. В двух проведенных Гилбертом исследованиях было показано, что «ноздри открываются поочередно, но нерегулярно», то есть неритмично.

Ритмично это происходит или нет, но изменение скорости воздушного потока позволяет носу обнаруживать больше разных запахов. В зависимости от массы и размера одни молекулы запаха перемещаются быстрее других и быстрее взаимодействуют с рецепторами назального эпителия. Кроме того, молекулы запаха различаются по скорости связывания. Вдыхание с двумя разными скоростями позволяет носу шире «забрасывать сети» в поисках стимулов. Это также помогает носу замечать изменения в локализации источника запаха.

Действие этого механизма можно наблюдать на примере собак. Почуяв запах, собаки берут след. Однако они не идут по прямой. Они ходят кругами вдоль этого пахучего следа, уточняя его направление. Они «видят», куда ведет след, не лучше, чем люди. Собаки находят остатки запаха и идут по нему, двигаясь по контурам следа. Этим принципом пользуются все животные, включая бабочек, рыб и людей. Нейробиолог Том Финджер из университета Колорадского объясняет: «Исходя из ширины шлейфа запаха, можно рассчитать расстояние. Когда шлейф отходит от источника, его молекулярные контуры достаточно четки. Источник испускает запах с определенной концентрацией. По мере удаления от источника контуры размываются в результате диффузии. Животное может определить расстояние на основании того, насколько четкими являются контуры шлейфа. Я думаю, это еще одно измерение [в восприятии запаха], которое люди обычно не учитывают. Четкость перехода между «нахождением в шлейфе» и «нахождением за пределами шлейфа» сообщает информацию о расстоянии до источника».

Люди ориентируются с помощью носа точно так же. Гилберт упомянул статью психолога Люсии Джейкобс из Беркли, вышедшую в 2015 году[248]. По его словам, в этом исследовании «она вводила людей с завязанными глазами и в наушниках в помещение с источником запаха в каком-то месте; она раскручивала их, после чего они должны были самостоятельно ориентироваться на этот источник, и они могли это делать!»

Вопреки устоявшемуся мнению, люди не так уж далеки от собак по способности следовать за запахом. Это было показано в 2007 году Ноамом Собелем и молодым исследователем Джессом Портером, которые смоделировали человеческое умение идти за запахом, как собаки[249]. В их исследовании 32 голодных студента из Беркли отслеживали запах шоколада. Чтобы удостовериться, что студенты ориентировались только по запаху, а не по каким-то другим сигналам, участников эксперимента искусственным образом лишили других источников чувственной информации (повязка на глаза, перчатки, наколенники и др.) Действия студентов в поисках следа были сравнимы с действиями собак, идущих по следу фазана. Студенты вели себя так же, как собаки, перемещаясь вдоль следа круговыми движениями. Кроме того, после тренировки студенты выполняли это задание быстрее и лучше!

Однако, возможно, пока рано утверждать, что нос человека действует так же, как нос собаки. Александра Горовиц, когнитивист из колледжа Барнард, изучает собак[250]. Она включается в разговор: «Давайте сравним профессионального ученого, занимающегося вопросами обоняния, который целый день о нем думает, с собакой поисково-спасательной службы». Горовиц смеется и продолжает уже серьезнее: «Меня интересует поведение. Что люди делают с помощью носа? Что собаки делают с помощью носа? Мы, люди, не пользуемся преимущественно ортоназальным обонянием. А собаки пользуются. Если вы посмотрите на высококвалифицированных собак, которых тренировали… не только быть отличными нюхачами, но и просто иметь мотивацию, чтобы выполнять специфические задачи по распознаванию запахов и сообщать, когда они находят то, на что вы их натаскивали… они оказываются вне конкуренции».

Горовиц предостерегает от того, чтобы делать окончательные выводы на основании исследования Собеля. «В том исследовании в Беркли было несколько интересных особенностей. Одна из них – это след, который они прочертили и который продолжал оставаться на земле. Они растянули на траве нитку, пропитанную запахом шоколада, который можно учуять обычным носом. И оставили ее там. Таким образом, источник запаха все еще присутствовал в траве, тогда как идущая по следу собака ищет запах, исходивший от источника. Очевидно, что в воздухе что-то остается – испарившиеся молекулы, – иначе собаки не могли бы ничего учуять. Но в случае собак источника молекул уже нет. И это очень важно. Поэтому более полезным для сравнения было бы растянуть в траве нитку, а потом ее убрать, поскольку тогда бы вы просили участников найти след, оставленный источником, а не сам источник».

Горовиц также указывает на разницу в скорости ответа собак и людей. «Несколько участников справились с заданием. Но время, которое у них ушло на выполнение задачи, чрезвычайно велико. Много – думаю, до четырнадцати – минут для обнаружения следа, если они вообще справлялись с заданием и не бросали дело». Однако она замечает: «Интересно, что [участники] улучшали свои способности. Эксперимент показал, что мы можем использовать свои носы. Практикуясь, мы можем совершенствоваться, что подтвердит любой парфюмер. Но все же обонятельный аппарат собак, по-видимому, в тысячи раз лучше нашего. Их естественное поведение отличается от нашего. Полагаю, это определяет очевидное различие между собаками и людьми».

Но дело не в том, так же мы хороши, как собаки, или нет. Дело в том, что человеческая поведенческая способность обнаруживать и отслеживать запахи тоже весьма точна. Однако люди редко решают задачи, в которых требуется идти по следу; они редко ползают на четвереньках по земле. А ведь именно отсюда исходит большинство запахов. Запахи в основном концентрируются у поверхности предметов.

Важнейший элемент пространственного поведения, связанного с обонянием – движение. Это активное измерение расстояния между источником запаха и наблюдателем[251]. В отличие от обработки сигналов других дистальных чувств, нетренированный мозг не может вычислить расстояние до далекого источника запаха (как, например, расстояние до источника звука по временной задержке звукового сигнала с регулярными пространственно-временными характеристиками). В системе обоняния мозг получает информацию о расстоянии до источника за счет непосредственного контакта носа со стимулом и перемещения наблюдателя вдоль градиента концентрации – распределения концентрации химических молекул в шлейфе запаха.

Расчет этого действия включает в себя временное измерение. Финджер комментирует: «Чтобы добраться до предмета, вы должны идти по следу. Тогда как в случае зрения и вкуса вы сразу понимаете, где находится предмет. По моему мнению, обоняние в гораздо большей степени связано с учетом времени для получения пространственной информации». На это Айна Пьюс отвечает, что обоняние «в некоторых отношениях имеет сходство со слухом, в котором стимул распознается по временной развертке».

Рассуждения на тему сенсорно-двигательной активности получили развитие в так называемых экологических теориях восприятия – энактивизме и эмбодименте. Эти теории в 1960-х и 1970-х годах выдвинул психолог Джеймс Дж. Гибсон[252].Его последователями в 1990-х годах были биологи Франсиско Варела и Умберто Матурана[253]. Сегодня эти теории всплывают в философских спорах в различных формах[254]. Если не вдаваться в подробности интеллектуальных различий, сторонники данных теорий предостерегают против четкого разделения восприятия, тела и окружающей среды при анализе восприятия. Устройство организма и предпринимаемые им действия на самом базовом уровне формируют содержимое восприятия. Поэтому сенсорный стимул и двигательную реакцию нужно воспринимать в сопряжении и анализировать одновременно (хотя суть этого сопряжения остается предметом серьезных разногласий). Тело наблюдателя эволюционировало для восприятия взаимодействия с внешней средой при ее освоении. Важнейшая задача чувств в том, чтобы служить надежным проводником организма при принятии решений. Поэтому биологические факторы оказывают дифференцированное влияние на то, каким образом внешняя информация поступает в первый раз и затем осознается как содержимое восприятия.

Поведение в значительной степени определяет, как информация достигает мозга и обрабатывается в нем. Мозг, конечно же, часть тела; одна из его ключевых функций заключается в координации и интеграции сигналов тела. То, как мы нюхаем – блестящий пример, показывающий влияние поведения на обработку сигнала в мозге, поскольку нюхательное поведение соответствует колебательным ритмам активности мозга. Колебания активности нейронов вызываются изменением мембранного потенциала при передаче сигналов нейронами, что можно зафиксировать с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Колебания соответствуют активности популяций нейронов, а их волны отражают переходы между состояниями с более высоким и более низким уровнем возбуждения. Эти изменения состояния определяют отбор входящей информации. Более высокий уровень возбуждения способствует выявлению определенного типа сигнала; более низкий уровень возбуждения подавляет определение того же сигнала[255].

То, как мы нюхаем, влияет на сочетание колебательных ритмов в областях мозга, связанных между собой[256]. Дональд Уилсон объясняет: «Известно, что когда мы дышим, в обонятельной системе возникают осцилляции». Это подразумевает временную координацию активности нейронов, такую как синхронизация возбуждения двух популяций нейронов за счет дыхания. «Это осцилляции, вызванные дыханием». Уилсон ссылается на недавнее исследование, выполненное Готтфридом и постдокторантом Кристиной Зелано[257].

Когда вы дышите, активность всех этих участков синхронизируется с вашим дыханием. Это не доминирующий сигнал, но его достаточно. Известно, что обонятельная система жестко связана с гиппокампом, амигдалой и другими структурами мозга, важными для разных форм памяти. Вовлечение дыхания помогает, так что, когда я вдыхаю и нюхаю, само это действие связывает между собой эти разные участки мозга, и тогда я ощущаю запах. Я просто включаю одновременно гиппокамп и амигдалу, и вместе они выстраивают общее контекстуальное представление о запахе.

Дальнейшие исследования углубили понимание динамической связи между тем, как мы нюхаем, и изменением ответа нейронов, включая положительную связь между активным обнюхиванием и обонятельным обучением[258]. Однако остается неясным, как интенсивность запаха зависит от того, как мы нюхаем[259]. На самом деле осцилляции представляют собой ключевой механизм, посредством которого двигательная активность в носу влияет на обработку информации в мозге.

Как осцилляции влияют на содержимое восприятия? Колебательные ритмы представляют собой одну из форм селективного поведения нейронов, при котором входящие сигналы отбираются за счет так называемого перцептивного цикла. Когнитивист Ульрик Найссер предложил этот термин в 1976 году. Найссер описывал восприятие как циклический процесс в мозге, предполагая, что в схемах поиска пропитания происходит избирательная фильтрация поступающей информации[260]. Чередование фаз колебаний отражает периодичность отбора сенсорных сигналов и управляет ответной реакцией определенных отделов мозга, включая их взаимодействие. В каждый конкретный момент времени несколько популяций нейронов активно конкурируют друг с другом. Так что мозг имеет собственные механизмы отбора поступающей информации.

Мозг – не гомогенная структура, а координированная система из нескольких модульных кластеров. В каком-то смысле он находится в постоянном соревновании с самим собой. Популяции нейронов участвуют в бесконечной войне за достижение определенного уровня внимания. Но внимание ограничено. Перцептивный цикл – это механизм активного отбора, позволяющий избегать дополнительной перегрузки сигнальных процессов в обработке чувственной информации. Разные типы поведения, например, когда мы нюхаем, меняют ритмы колебаний в перцептивных циклах.

Это сопряжение восприятия с двигательной активностью определяет формирование перцептивного содержания: какие сигналы обрабатываются и что достигает сознания. Лежащая в основе этого механизма идея активного чувствования не нова; физик Герман фон Гельмгольц в XIX веке изложил аналогичные представления в рамках своей идеомоторной теории[261]. Новыми являются методы исследования этого сопряжения и его конкретного влияния на восприятие.

Почему обонятельные образы не имеют дискретных пространственных свойств, как зрительные, если обоняние тоже облегчает пространственное поведение? Задавая этот вопрос, мы затрагиваем самую суть, которая должна определять ход наших рассуждений о восприятии, если мы хотим построить нечто большее, чем теория зрения. Размерность и характеристики объектов восприятия, включая их границы или дискретность, вычисляемы. Они – производное нейронной топологии, то есть зависят от того, как интегрируется и форматируется информация, передаваемая сигналами нейронов. Однако обонятельная система не вычисляет запахи на основании топографических данных, как это делают системы зрения или слуха.

Нейронное пространство

Мы по-прежнему мало знаем о карте обонятельных нейронов и о том, что она отражает. В качестве сенсорных стимулов запахи имеют несколько измерений: они передают информацию об определенных свойствах, имеют разную интенсивность и часто воспринимаются приятными или неприятными. Эти стороны восприятия (признак, интенсивность и гедонический аспект) в большинстве исследований измеряются раздельно[262]. Более того, считается, что они отражаются на нейронных картах независимым образом[263]. Важнейшая характеристика обоняния – пространственная топология обонятельных стимулов – не коррелирует с пространственной топологией их нейронного отражения (см. главы 7–8). Принципиально важно моделировать обоняние в терминах его собственной структуры, а не на основе концепций, выработанных для системы зрения, которые, возможно, неприменимы в данном случае. Вообще говоря, кодирование признаков в системах зрения и обоняния во многом не совпадает[264].

Кодирование пространственных параметров в этом контексте играет очень важную роль. Пространственные характеристики зрительных объектов (контуры, форма, ориентация, движение) выявляются не напрямую в результате энактивных процессов (таких как быстрое скачкообразное движение глаз или обнюхивание), а строятся с помощью вычислительного механизма зрительной системы. На самом деле движения организма помогают обработке пространственных признаков сигналов во всех сенсорных системах, действующих на расстоянии. Например, иногда приходится слегка подвинуться, чтобы оценить расстояние до предмета, а также его форму или размер. Но такие движения – не основа для создания и использования пространственных характеристик в качестве свойств объектов восприятия. Мы видели, что пространственное кодирование в зрительной системе – результат топографического проецирования сигналов от клеток сетчатки, чувствительных к световому контрасту (клеток окружающего центра), к клеткам первичной зрительной коры (и их иерархической интеграции от более простых к более сложным). Такая схема обеспечивает передачу характеристик, не зависящих от точки наблюдения.

Кодирование формы предметов в зрительной системе основано на не зависящих от точки наблюдения параметрах распознавания контуров. Так называемые T-образные сочленения описывают границы предметов, а Y-образные сочленения описывают области стыковки поверхностей[265]. Зрительная система использует такие сочленения для расчета формы в перспективе. Прекрасный пример – воспроизведение параллельных структур; многие оптические иллюзии строятся на этом вычисляемом свойстве. К примеру, комната Эймса. Это зрительно-пространственная иллюзия комнаты, которая кажется кубической, если смотреть через глазок, хотя ее реальная форма – шестисторонний выпуклый многогранник. Один угол комнаты находится на большем удалении от наблюдателя, но наблюдатель этого не замечает. В результате человек нормального роста, который стоит в дальнем углу, выглядит карликом по сравнению с другим человеком нормального роста, который стоит ближе к наблюдателю и выглядит гигантом. Вычислительная схема в основе пространственного восприятия дополнительно подкрепляет идею о том, что распознавание видимых предметов использует стабильные компоненты, включая соответствие разных геометрических форм некоей матрице (как, например, в «теории геонов» Ирвинга Бидермана)[266]. Новые данные относительно нейронного кодирования различных абстрактных форм, полученные при изучении нижней височной коры, подтверждают эту идею[267]. В системе обоняния не обнаружено аналогичных вычислительных схем, определяющих пространственные характеристики стимулов. Финджер объясняет: «Зрение – топологически ориентированное чувство. Вы создаете карту трехмерного мира на двумерной поверхности, а затем на ее основе рассчитываете трехмерный мир. Обоняние устроено совсем иначе. Обоняние не дает высокоточных пространственных характеристик, хотя какие-то все же есть. Вычисления в обонятельном опыте совсем иные, чем в зрении. Так что, я думаю, зрение и обоняние очень далеки друг от друга в плане обработки сигналов центральной нервной системой». И добавляет: «Возможно, есть некое сходство в нейронных механизмах, но я полагаю, что мозг совсем по-разному обрабатывает информацию».

Есть значительное различие между «пространственными объектами» и «пространственным представлением». Очень важно отметить, что на уровне нейронов отражаются не пространственные характеристики отдаленных стимулов из внешней среды, а топологическая картина, созданная сенсорной системой. Поскольку пространственные характеристики у нас немедленно ассоциируются со зрением, эти два понятия легко сливаются. Но они не идентичны. Этот важный момент лучше прояснить на примере слуха.

Слух – тоже пространственное чувство. С феноменологической точки зрения мы воспринимаем звук как идущий слева или справа и с определенного расстояния. (Вам не нужно поворачивать голову, чтобы понять, откуда исходит громкий шум. Но при резком хлопке вы инстинктивно, не задумываясь, поворачиваете голову в сторону источника звука.) Но это не тот тип пространственных отношений, который используется в слуховой коре для топографического отображения стимула. Звуки переносятся звуковыми волнами с определенной частотой (для человека примерно в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц). Их топологическое представление в нейронном пространстве зависит от того, как слуховая система обрабатывает стимул, то есть каким образом она разделяет характеристики стимула, чтобы преобразовать их в дискретный нейронный сигнал. Топографическое представление стимула на уровне нейронов не отражает то, что слуховой стимул представляет собой в физическом пространстве.

У системы слуха очень тонкое устройство. Волны давления достигают барабанной перепонки через слуховой канал. Далее три последовательно расположенные крохотные косточки (молоточек, наковальня и стремечко) передают эти колебания от барабанной перепонки на небольшую мембрану, являющуюся частью улитки уха – структуры внутреннего уха в форме улитки, откуда слуховой нерв передает сигнал в слуховую кору. Улитка имеет замысловатое строение. Она содержит несколько элементов, в том числе базилярную мембрану, принимающую колебания звука от волосковых клеток, настроенных на разные частоты. Именно здесь создается топография звука.

Базилярную мембрану можно представить в виде клавиш рояля. Разные участки мембраны резонируют с разными звуковыми частотами, попадающими в ухо (Рис. 5.1). Неважно, насколько сложен звук (Чайковский это или группа Aerosmith), базилярная мембрана выстраивает в ряд частоты, обнаруженные волосковыми клетками. Линейное представление звука на базилярной мембране проецируется через слуховой нерв и сохраняется в слуховой коре. Если мы заглянем в ваш мозг и обнаружим активацию специфических участков первичной слуховой коры, то узнаем, слышите вы звук с высокой или низкой частотой. Это пространственное распределение отражает не физический стимул как пространственный объект из окружающей среды, а элементы сигнала в нейронном пространстве.

РИС. 5.1. Картирование звуковых частот в слуховой коре. Показана пространственная организация базилярной мембраны. Входящие звуки разделяются по частоте от низких до высоких. Эта пространственная организация проецируется в первичную слуховую кору и там сохраняется. Источник: Lars Chittka and Axel Brockmann / Wikimedia Commons CC BY-SA 2.5.

Расположение источников звука в пространстве вокруг наблюдателя определяется несколькими способами, не напрямую через топографическое кодирование звукового спектра. Слуховая система использует разные приемы: кроме спектральных различий (которые отражаются в описанной выше топографии нейронов), локализация в пространстве выясняется расчетом разницы во времени прибытия и интенсивности стимула, достигающего двух ушей. Таким образом, слуховая система отличается от зрительной системы по механизмам кодирования и вычисления пространственных характеристик стимула. Восприятие боли – еще один пример для иллюстрации значительного различия между физическим и нейронным пространством. Восприятие боли – не дистальное чувство. Боль не имеет отношения к отдаленным предметам и их положению в пространстве. Боль, которую вы ощущаете, когда бьетесь коленом, ничего не говорит об угле стола, о который вы ударились. Тем не менее, боль воспринимается дискретным образом в феноменологическом пространстве вашего телесного опыта (боль в локте) через локализованную активность на уровне нейронов (одни области мозга возбуждаются, другие не реагируют). По отношению к телу и нейронам боль имеет пространственную локализацию. «Отчасти это аналогично ситуации, когда одно болевое ощущение в руке проявляется ближе к локтю, чем другое, – комментирует философ Крис Пикок из Колумбийского университета. – Испытываемые ощущения боли находятся между собой в пространственных отношениях, и действительно возможно, что одно из них ощущается ближе к локтю, чем другое». Однако такая пространственная характеристика не коррелирует с предметами из окружающей среды и их пространственными свойствами. «Признание этого факта полностью согласуется с восприятием боли как нерепрезентативного состояния»[268].

Пространственность[269] в восприятии (как телесная, так и удаленная) является моделируемой характеристикой. Для вычленения связи между признаками воспринимаемых образов и их нейронным отражением нужна модель, которая определяет, какие признаки кодируются и какой вклад они вносят в общий воспринимаемый образ. Моделируемое пространство регулируется поведением стимула по отношению к наблюдателю. Его построение зависит от предсказуемости стимула и эволюции сенсорной системы для облегчения важных для организма действий.

«У стимула как такового нет никаких пространственных свойств», – комментирует Стюарт Фаерштейн. Эпителий уничтожает пространственные свойства стимула, так «почему в его [нейронной] организации должно быть что-то пространственное? Это кажется чрезмерным упрощением, основанным, как обычно бывает, на работе зрительной или слуховой системы». Линда Бак разделяет точку зрения Фаерштейна о рассеивании стимула: «Обоняние устроено не так. Оно имеет распределенный характер».

Пространственность включена в восприятие запаха. Кодирование интенсивности запаха позволяет корректировать поведение в пространстве, но само пространство не кодируется, как в зрительной системе.

Вместо этого запах помогает ориентироваться, направляя общее, необонятельное моделирование внешнего пространства. Финджер делает вывод: «Таким образом, некая пространственная информация существует. Она просто не наносится на карту. Мне кажется, это больше похоже на внутреннее представление трехмерного мира. Вы просто накладываете какую-то информацию на ваше внутреннее представление о пространстве».

Следовательно, если мы хотим понять, как содержимое обонятельного восприятия отражается на уровне нейронов, нужно узнать, какие механизмы это делают. Запах – результат активности сенсорной системы. И мы наконец подходим к первым дверям в эту систему – к кодированию сигнала на уровне рецепторов.

Глава 6. Молекулы для восприятия

В воздухе за пределами нашего тела нас ждет множество химических веществ. Они обладают широчайшим диапазоном обонятельных признаков, поведенческих смыслов и чрезвычайно разнообразной молекулярной структурой. После того, как произошла фиксация носом, со всей информацией имеет дело мозг. Что при этом происходит? В отличие от цвета и звука, у запаха связь между его характеристиками и структурой стимула далеко не очевидна. Мы видели, что обонятельный стимул как таковой не объясняет запах. Так как же нос знает, что молекула цис-3-гексенола пахнет свежескошенной травой, а эфирная группа привносит фруктовые ноты? Как мозг решает, что он правильно интерпретирует эти химические признаки?

Ответы зависят от того, что, по нашему мнению, делают сенсорные системы при сканировании стимулов в поисках информации. Наше представление о восприятии основано на идее, что мозг эффективно осуществляет процесс экстраполяции, за счет которого сенсорные системы получают доступ к наблюдаемой природе вещей. Представление о восприятии как об экстраполяции соответствует предположению, что наши чувства фильтруют информацию из случайных и разнообразных сценариев для выявления устойчивых картин мира, закодированных в его физических характеристиках. В этом контексте представление на уровне нейронов – это отражение мозгом ранее встреченных, заученных картин для классификации текущей информации. В таком сценарии чувственное восприятие служит информационной воронкой, осуществляющей процесс отбора признаков в широчайшем мире случайностей и эффективно выделяющей значимые фрагменты. Но что такое «значимые фрагменты»? И как сенсорные системы их представляют?

Вот тут в случае обонятельной системы начинаются сложности. Все это не совсем понятно. Я не хочу сказать, что у нас нет данных. Напротив, на сегодняшний день нам известно невероятное множество подробностей о стимулах. Химики могут забросать вас информацией о структуре одорантов. Такие крупные компании, как Firmenich или Givaudan, собрали обширные базы данных с подробным описанием молекул для помощи в поиске новых синтетических вкусов и ароматов. Разница в один ангстрем[270] тут, дополнительный атом углерода там, и что насчет этой гидроксильной группы, которая передает электроны бензольному кольцу? Знание таких деталей настолько важно, что доступ к этим тщательно охраняемым частным базам данных закрыт.

Недостающее звено

Мы не понимаем в деталях, что обонятельная система делает со всеми этими свойствами и как мозг осмысляет их в виде запаха. И это удивительно, поскольку за последние три десятилетия мы многое узнали о биологических принципах обоняния (см. главу 2). Конечно, иногда вы встречаете комментарии о том, как мало мы знаем об обонянии (возможно, некоторые замечания в данной книге тоже вызывают подобное ощущение). Но если задуматься, сегодня мы знаем достаточно много. Просто мы осознали, как мало понимаем из того, что знаем. И дело не в том, что нам неизвестны основные элементы системы. Скорее, у нас больше структурных данных, чем мы можем осмыслить. Мы можем изучать специфические свойства молекул стимула во всей химической красе. Мы знаем о путях обработки информации и об огромном количестве рецепторов и их проекций в луковице и коре. Все кусочки паззла на местах. Обсуждаются только принципы обонятельного каскада. Так чего же не хватает?

Не хватает объединяющего принципа – топологии, которая служит фундаментом процесса восприятия и интегрирует информацию на разных уровнях. Стимул в той или иной форме – это источник информации для нашей сенсорной системы. Мы не понимаем, как обонятельный стимул передает это сообщение. Общее указание на топологию стимула (это молекула!) отвлекает от поиска ответа на вопрос. Химия запахов невероятно сложна, и физические стимулы обоняния до сих пор не классифицированы. И это, как нам теперь известно, результат не «субъективной» природы запахов, а молекулярной сложности обонятельных стимулов.

Нейробиолог Чарли Грир из Йельского университета напоминает о корнях проблемы: «Одна из самых больших сложностей в том, что мы не понимаем химии системы. Мы до сих пор не разобрались, что является лигандом и как он взаимодействует. Это резко контрастирует с физиологией соматосенсорной системы, где мы очень подробно изучили рецепторы горячего, рецепторы холодного и рецепторы давления. Или зрительной системы. Или системы слуха. Во многих отношениях все они, по крайней мере по моему мнению, сравнительно просты по сравнению с обонянием».

Рассуждения о стимулах могут быть поняты неоднозначно. Даже в отношении зрения мы говорим о двух разных вещах. Одна – находящийся на расстоянии от нас предмет (линия на экране). Другая – причинный стимул, а именно фотоны, попадающие на сетчатку глаза. Очевидно, что это разные проявления предмета. У фотонов нет контуров или углов. У них нет формы или длины. У них нет никаких свойств, которые мы обычно приписываем видимым предметам. Они являются результатом отражения от поверхности, и наша зрительная система использует их в качестве меры отдаленного объекта. Наша способность видеть отдаленные предметы в пространственном измерении связана с тем, что причинный стимул ведет себя пространственно при взаимодействии со зрительной системой (см. главу 5). Видимые предметы воспринимаются объемными, поскольку пространственные измерения (такие как расстояние и размер) являются важной частью информации, которую наше зрение извлекает из отражений от их поверхности.

А как ведет себя стимул при взаимодействии с обонятельной системой? Мы не найдем ответа, если будем изучать молекулы запаха в изолированном виде. Такой подход мы не используем даже в моделях зрительной системы. Стюарт Фаерштейн подчеркивает: «По большей части нас не волнует физика фотонов. Физики, занимающиеся частицами, провели огромную работу по изучению фотонов. Это волны? Это частицы? Для специалистов по зрению это почти неважно. Их интересует оптика, все дело в оптике. Но только по той причине, что им нужен оптический стол для доставки стимула».

Причина доминирования химического подхода в изучении обоняния – в историческом контексте. В XX веке химия предлагала лучшие экспериментальные возможности для изучения запахов. И отчасти этот подход сохранился.

«В нашей области сохраняется такой общий мотив – от молекул к восприятию», – замечает Фаерштейн. На протяжении десятилетий предполагалось, что существуют правила, связывающие химический сигнал с мысленным образом. И сегодня обонятельную информацию все еще анализируют так, будто она закодирована в структуре стимула, тогда как все остальное, включая рецепторы, является молекулярными деталями биологического аппарата. Отслеживая путь сигнала от рецептора в мозг, мы получаем более или менее линейную модель, как определение контуров предметов в зрительной системе. Однако эта модель справедлива лишь в том случае, если рецепторы реагируют на молекулы запахов, как предполагают химики. Но это не так.

Биология рецепторов подчиняется собственным законам. «Проблема идеи о корреляции между молекулами и восприятием в том, что она идет от химии к психофизике, – комментирует Фаерштейн. – О чем мы забывали все эти годы? О биологии!» Через 25 лет после открытия обонятельных рецепторов и после столетия изучения химии стимулов мы обязаны спросить: как работает эта система? «Теперь мы должны опять подключить биологию, – заявляет Фаерштейн. И продолжает: – Но когда мы подключаем биологию… она не встраивается. Она не встраивается в эту прекрасную историю о связи химической структуры с психофизическим восприятием. Вместо этого происходит множество других вещей».

В предыдущей главе говорилось о том, что обработка обонятельного сигнала не сводится к отражению отдаленного стимула в качестве внешнего предмета, а связана с топологией, создаваемой сенсорной системой. В этой главе мы исследуем, почему между химией стимула и топологией его нейронного представления имеется значительное различие. Теперь мы поговорим о том, как биология воспринимает химию.

Очевидный путь

Химия кажется удобной отправной точкой для начального научного интереса к биологии обоняния. «Именно так продвигались исследования обоняния на протяжении долгого времени, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку в этом есть химический смысл, верно? Все молекулы, запах которых мы чувствуем, по большей части являются органическими соединениями. И вы знаете, что есть целая область, называемая органической химией. Естественно, вы ожидаете, что они в этом разбираются. Они дают названия этим молекулам, они их экстрагируют, синтезируют. Они организуют весь этот химический спектакль. Вполне резонно полагаться на химиков-органиков в организации и классификации химических соединений, с которыми они постоянно работают. А мы [нейробиологи] этого не делаем, поскольку мы их только используем».

Нейробиологу нет нужды начинать с нуля. Когда на сцену вышла биология, химия запахов уже существовала. «Не нужно думать, что это окончательный ответ, – комментирует Гордон Шеферд, – однако это совершенно определенно инструмент для более углубленного понимания. Это почти список способов представления входящего сигнала. По моему мнению, простейшая идея – поскольку именно в соответствии с ней происходит анализ большинства чувств – в том, что вам нужно знать, в какой части сенсорного сигнала вы находитесь, чтобы затем стимулировать его отдельные части. Как в поле зрения. А потом понять, в какую часть системы в мозге смотреть».

Но в исследовании обоняния этот подход усложняется из-за огромного количества рецепторов. Ричард Аксель отмечает: «Если у вас есть тысяча разных клеток, а запах активирует сотню рецепторов, число возможных комбинаций превышает число атомов во вселенной! То есть это много, очень много. Это немедленно дает вам возможность распознать столько молекул, сколько вы можете встретить за всю жизнь». Это откровение неизбежно меняет представление о кодировании запаха.

«Нам показалось, что теперь мы можем применить биологию, – замечает Фаерштейн. – Сначала была идея попробовать подогнать биологию и рецепторы под то, что нам уже было известно из химии и психофизики. И биология должна была просто в это встроиться. Как оказалось, так не работает. Но было логично думать в этом направлении или начинать оттуда».

Стимул по-прежнему остается в центре теорий обоняния. Может ли современная наука об обонянии, дополненная знанием о биологии рецепторов, продолжать строиться на связи структуры молекул и их запаха? Сравнивая прошлое с настоящим, мы наблюдаем скрытый онтологический сдвиг.

За последние годы в нескольких исследованиях предпринимались попытки установить связь между структурой молекул и их запахом путем анализа больших массивов данных. В рамках этих исследований с помощью искусственного интеллекта были созданы компьютерные модели обонятельных стимулов, которые могли бы прояснить связь между химией и психофизикой. Этот подход также ознаменовал появление нового поколения ученых среди специалистов по обонянию.

Как замечает Андреас Келлер, проверка новых методов для решения старых проблем не требовала больших усилий: «Было очевидно, что нужно пробовать». Его коллега Пабло Мейер соглашается: «Есть лишь пара очевидных вещей, которые нужно сделать. Я имею в виду, почему бы их не сделать?» Джоэль Мейнленд считает, что такие методы, как машинное обучение, способствовали этому сдвигу, что также отражало теоретико-познавательный разрыв с традицией: произошел переход от объяснения к предсказанию. Машинное обучение представляет собой «новый набор методов, которые еще не были усвоены этой сферой исследований».

Компьютерные технологии обещали вскрыть код носа с помощью более сложных методов, большего количества данных и лучших методов их обработки. Нейроинформатик Рик Геркин считает: «Вы можете ответить на частные вопросы здесь и там, но чтобы ответить на вопросы такого плана, как размерность пространства в обонятельном восприятии или количество существующих запахов, нужно иметь много данных, а для сбора значительного объема данных нужно много времени, это стоит немалых денег, а большинство мест, где изучают обоняние и психофизику обоняния – это скромные лаборатории, которые не могут позволить себе ответы на эти вопросы». Одной из серьезных проблем новых компьютерных исследований были данные. Как заметила Лесли Воссхолл, «большая часть теоретических работ [в области обоняния] была основана на одном наборе данных тридцатилетней давности. Почему никто их не обновил?» Этот старый набор данных назывался «Атлас характеристического профиля запахов» (см. главу 3). Как рассказывает Воссхолл, Эндрю Дравнек «в начале 80-х составил большой список для использования на северо-востоке Соединенных Штатов для людей, родившихся в период демографического взрыва. Но очень многие слова из этого списка не имеют смысла для тех, кто принимал участие в наших исследованиях». – И добавляет: «Все подобные списки… стареют, очень сильно зависят от культурной среды и работают на определенном историческом этапе и для конкретной целевой аудитории».

Еще одна проблема «Атласа» Дравнека – в недостатке методологии его психофизики. Дравнек подбирал описания самостоятельно. В компьютерных исследованиях, отражавших семантику «пространства признаков запаха» через словесные описания Дравнека, не было практических экспериментов по психофизике человека. Иными словами, они отражали пространство признаков запаха «по Дравнеку». Компьютерные методы исследований связи структуры вещества и его запаха имели те же недостатки, что и старые методы: они убирали биологию системы в черный ящик. А если бы в них были реальные психофизические данные?

Именно это было показано в статье Андреаса Келлера, Лесли Воссхолл и Пабло Мейера, опубликованной в 2017 году в журнале Science[271]. Статья примечательна по нескольким причинам. Во-первых, в ней использовались новые конкретные психофизические данные о реакции людей на запахи, взятые из обширного исследования, опубликованного в 2016 году (также Келлером и Воссхолл)[272]. Во-вторых, это был значительный массив данных. Ценность данных по обонянию человека нельзя переоценить. Келлер и Воссхолл работали с 49 участниками, которые понюхали и описали не менее 476 молекул (с помощью 19 семантических идентификаторов и рейтингов интенсивности и приятности). Келлер и Воссхолл проверили большой набор одорантов на необычно большом количестве участников (для такой слабо финансируемой области, какой является обоняние). «Это была удивительно скучная работа, – смеется Келлер. – Вы даете людям вещество и спрашиваете, чем оно пахнет. Трудно придумать что-нибудь менее интересное. Описательная наука в чистейшем виде. Но это было нужно. Так что мы сорвали яблоко и попробовали его».

В-третьих, статья замечательна по той причине, что отражает такой современный подход к научному сотрудничеству, как краудсорсинг[273]. В работе, опубликованной в Science в 2017 году, психофизические данные 2016 года были обработаны с помощью алгоритмов машинного обучения для выявления связи между структурой и запахом. Эксперимент строился следующим образом. Сначала подбирали добровольцев в рамках программы DREAM Challenges (открытая интернет-платформа для исследователей с описанием научной проблемы, в которой могут принять участие все желающие). Задача была достаточно понятной: найти алгоритм, описывающий два набора данных – список химических параметров молекул и результаты психофизического исследования 2016 года. Затем участникам выдали некоторое количество данных, на которых они могли проверить и настроить свои алгоритмы до представления окончательной версии. Келлер смеется: «В этом и заключалась задача: я составил набор данных, мы разделили их на две части и половину предоставили участникам. И спрашивали: если одно вещество пахнет так, предскажите, как будет пахнуть другое». Результаты, полученные с помощью двух лучших алгоритмов, были опубликованы, но сами алгоритмы – нет.

Победителями стали биоинформатик Юйфэн Чжан, который также выиграл несколько конкурсов по подбору алгоритмов для описания наборов данных из самых разных областей, и Рик Геркин, о котором мы уже упоминали. Следует подчеркнуть, что статья Келлера от 2017 года – до сих пор самый удачный пример использования больших массивов данных в области обоняния; она служит отправной точкой для аналогичных проектов в будущем.

И все же алгоритм – не объяснение. Статья «Предсказание восприятия запахов человеком на основании химической структуры молекул запаха» – важный пример поиска данных и подтверждение ряда существующих гипотез о значении элементов химической структуры. Однако коэффициент корреляции в этом исследовании был сравнительно низким – 0,3. Так что проект DREAM Challenges не привел к расшифровке кода носа.

На результаты работы, отчасти из-за привлекательности подхода с использованием больших массивов данных, обратили внимание научные журналисты, такие как писатель Эд Йонг[274]. Кроме того, исследование вызвало осторожную критику со стороны экспертов, в частности, Эйвери Гилберта. Беспокойство Гилберта касается не этого конкретного исследования, а компьютерного подхода к исследованиям обоняния в целом. Он указывает на отсутствие психологической теоретической базы. Словесное описание – это субъективный критерий для формирования перцептивных категорий. Обзор Гилберта показывает, насколько все еще разобщена эта сфера деятельности, поскольку биоинформатики в нейробиологии моделируют ощущение запаха почти в полном отрыве от когнитивной психологии.

Гилберт подчеркивает, что обонятельное пространство остается пространством неизвестного: «Если кто-то хочет предсказать, какие молекулы могут пахнуть сандаловым деревом или лимоном, ему нужно заново протестировать все 476 молекул на других 49 участниках с помощью нового списка идентификаторов, а затем вернуться к компьютерному моделированию с новым набором данных»[275]. И почему взяли именно эти девятнадцать описаний? Воссхолл отвечает: «Причина, почему мы использовали в работе эти девятнадцать, в том, что мы просто не смогли применить большинство других 127 идентификаторов к молекулам, с которыми работали. Я уверена, что можно использовать другие». По мнению Гилберта, проблема также в том, что «полезные термины из области обоняния относятся к разным уровням когнитивной классификации». В ответ Келлер и Мейер подчеркивают, что цель работы 2017 года не выходила за пределы конкретного исследования. Она заключалась в том, чтобы подобрать компьютерные методы и продемонстрировать их применимость для создания одорантов, а не в том, чтобы теоретически объяснить обработку обонятельной информации. И они сделали именно это.

Моделирование обоняния на основании связей между структурой молекул и их запахом имеет теоретическое оправдание. Проблемы возникают в экспериментальной нейробиологии. Биология – это не набор данных, которые нужно извлечь с помощью алгоритма. Биологическая организация – это экспланандум (феномен, который требуется объяснить), тогда как алгоритмы помогают в выведении эксплананса (самих объяснений).

По этой причине Фаерштейн считает эти новые методы эвристикой, а не объяснением: «Возможно, здесь есть ценная информация. Я думаю, что исследования, основанные на машинном обучении – хороший путь». Но предупреждает: «Они публикуются как конечные результаты, но таковыми не являются. Они построены на артефактах. Это сплошь ложноположительные результаты». Неправильно было бы отвергать то, что возможно найти связь между структурой молекул и их запахом с помощью алгоритмов машинного обучения, но пока они не работают. Очень важно понять, почему это так.

В большинстве компьютерных моделей к биологии относятся как к условному промежуточному звену, соединяющему химию стимула с человеческим восприятием. Мейнленд полагает, что это осуществимо: «Если вы хотите во всех подробностях изучить один рецептор и понять, как он реагирует на конкретный запах, это прекрасно. Но это огромный труд. Вместо этого можно использовать такой подход [как DREAM Challenges], где вы берете молекулу и изучаете, какие ее признаки соответствуют восприятию. Теоретически при достаточном количестве данных вы узнаете ровно то, что узнал Стюарт. Вы используете другой набор свойств, но вы в конечном итоге можете вывести все, что вывел он». Помолчав, Мейнленд продолжает: «Хотели бы вы в итоге понять, что делают рецепторы? Безусловно. Можно это представить себе, не глядя на рецепторы? Да, можно. Нам не нужно знать, что делают рецепторы, чтобы вообразить, как перенести структуру на восприятие. Современные модели это делают. И работают относительно хорошо. С помехами, но работают. Вам не нужно знать всю последовательность шагов, чтобы сделать прыжок. Они могут оставаться в черном ящике[276]».

Келлер соглашается: «Я думаю об этом, как о треугольнике: молекулы и стимулы, затем картина активации рецепторов, затем результат восприятия. На основании физико-химических свойств можно предсказать, какие рецепторы активируются, а потом, в зависимости от активированных рецепторов, предсказать воспринимаемый запах. Вы просто исключаете промежуточное звено и перешагиваете через черный ящик с рецепторами».

Геркин делает еще один шаг вперед: «Мы уже многое знаем об этих рецепторах. Мы знаем, сколько их. Мы примерно знаем, как некоторые из них настроены, и знаем кое-что о том, как они взаимодействуют с луковицей. Но, с моей точки зрения, все это можно выкинуть в помойку. Теорию обонятельного восприятия можно построить, не зная ничего из этого. Моя гипотеза в том, что, используя психофизику и проведя измерения, можно сделать строгие предсказания относительно большого перцептивного пространства – какова его форма и как в нем смешиваются стимулы». Возможно, этот оптимизм преждевременен. И туда ли он нас ведет?

Заключение рецепторов в черный ящик грозит провалом. Даже самые мощные инструменты не могут решить проблему адекватности теории – проблему последствий выбора предпосылок и критериев оценки. Рассмотрим другой пример. Представим, что мы используем жесткие морфологические критерии для определения механизмов наследования. Такая модель будет основана на корреляции, а не на причинности. Закономерности связи структуры и запаха, полученные с помощью классической химии или больших массивов данных, аналогичным образом удаляют из системы биологию – причинный фактор отбора признаков и их интеграции обонятельной системой. Моделирование этих закономерностей, каким бы методом оно не осуществлялось, предлагает введение в гипотезу, но не реальный механизм. Закономерности связи структуры и запаха не совпадают с принципами обработки стимула и восприятия.

Очень важно четко прояснить это различие. Химию стимулов часто считают синонимом кодирования запахов. Хороший пример – проницательная статья Йонга о проекте DREAM Challenges «Ученым не удается реверсивный анализ запаха». Если вы читаете внимательно, то обнаруживаете, что недостает одного понятия – рецепторов. В большинстве популярных отчетов о проблеме моделирования обоняния ничего не говорится о рецепторах, которые взаимодействуют с химическими стимулами и определяют отбор признаков. Но рецепторы – это ключ к пониманию того, как обонятельная система превращает молекулярные свойства в информационную картину на уровне нейронов. Как в нашем примере с наследованием: здесь в качестве решения мы выбрали морфологическое описание без учета механизма передачи, определяющего единицы наследования.

Мейнленд сформулировал критический вывод: «Единственный случай, в котором важно [учесть биологию], это когда вы извлекаете из биологии то, чего нет среди используемых нами вещей». Есть ли у нас веские причины считать, что знание биологии приведет к другой модели стимула в кодировании запахов?

На самом деле такие причины есть.

Черный ящик биологии

Все начинается с рецепторов. Их значение для теорий кодирования запахов переоценить невозможно. В Главе 2 говорилось о том, что обонятельные рецепторы – это рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCRs), которые располагаются на ресничках обонятельных нейронов назального эпителия. Клетки распределены в эпителии случайным образом (хотя некие зоны экспрессии генов в эпителии существуют)[277]. Эти клетки постоянно изменяются по мере отмирания и обновления рецепторов. Обонятельная система постоянно осуществляет оборот чувствительных клеток. (Эпителий – единственная часть тела, где нервные клетки встречаются с внешним миром, и это прекрасная мишень для инфекции. Если бы эпителий непрерывно не возобновлялся, после двух или трех простуд мы бы не чувствовали никаких запахов.)

По мнению Грира, именно в этом особенность обоняния: «Представьте себе, что это единственный отдел центральной нервной системы, где популяции сенсорных нейронов регулярно погибают и заменяются новыми популяциями сенсорных нейронов, которые затем правильным образом отправляют свои аксоны в правильную часть обонятельной луковицы, чтобы встретиться с другими похожими аксонами». То, что система непрерывно обновляется, определяет ее взаимодействие с непостоянными и непредсказуемыми стимулами. Зона контакта, в которой нос сканирует запахи, постоянно находится в состоянии строительства. И это не единственный необычный признак.

Обонятельные рецепторы в зоне контакта с внешней средой активно структурируют входные сигналы – в такой степени, что дальнейшие рассуждения об отражении запахов на уровне нейронов необходимо начать с рассказа о рецепторах и их связывающей активности, по аналогии с моделью входных сигналов в зрительной и слуховой системах (см. главу 5). Хотя все чувствительные клетки действуют избирательно, обонятельные рецепторы выделяются на общем фоне по нескольким причинам.

Во-первых, существует зависимость стимула от рецептора, то есть то, что система может делать со свойствами физических стимулов. Цветовое зрение имеет дело с электромагнитными волнами, а это стимулы с низкой размерностью. Рецепторные клетки, колбочки, настроены на специфические участки спектра видимого света. Их рецепторы действуют по принципам сложения и вычитания в сочетании друг с другом. Это приводит к модели прямой зависимости между стимулом и свойством, скажем:

a = n

Красная часть видимого спектра имеет длину волн примерно от 390 до 700 нм.

Такая модель позволяет осуществлять расчеты цветовых сочетаний:

x – y = z

«Белый» минус «зеленый» дает «розовый».

Хотя рецепторы запахов тоже настроены на специфические признаки и действуют комбинаторным образом, на этом сходство заканчивается. Физические характеристики молекул запахов значительно отличаются от характеристик зрительных сигналов и не поддаются таким расчетам. Обонятельные стимулы имеют многомерное молекулярное строение. Пространство стимулов и рецепторов в обонянии не определяется суммированием, как в системах зрения или слуха.

Это различие можно ярко проиллюстрировать на примере альдегидов, особенно нециклических. Нециклические альдегиды могут иметь углеродную цепь разной длины (эти органические соединения очень популярны в парфюмерии; Chanel № 5 – это первые духи, созданные почти полностью из синтетических веществ, в частности, из ряда альдегидов). Альдегиды с разной длиной цепи имеют разный запах. Альдегид С8 имеет жирный запах, альдегид С10 – цитрусовый, а альдегиды с более длинной цепью пахнут цветами. Однако в отличие от цвета и длины волны кумулятивная модель не позволяет связать число атомов углерода с качеством запаха. Кроме того, невозможно применить химические закономерности для альдегидов к другим нециклическим одорантам, например, к спиртам с разной длиной цепи (бутанол с цепью из четырех атомов углерода имеет аптечный запах, гексанол с цепью из шести атомов углерода пахнет зеленью, а октанол с цепью из восьми атомов углерода – пряностями).

Кодирование запаха не укладывается в предсказательную модель «стимул – реакция» типа «любой одорант с углеродной цепью С8 при добавлении еще одного углерода приобретает запах черешни». Это совсем не так. Важнейшее различие между стимулами с низкой размерностью в зрительной или слуховой системе и многомерными стимулами обонятельной системы в том, что в последнем случае аддитивная шкала[278] не отражает механизм кодирования.

Грир сравнивает кодирование на уровне рецепторов в системах обоняния и слуха: «Полагаю, вы согласитесь, что, поскольку базилярная мембрана обеспечивает непрерывность ответа на все звуки от высокой до низкой частоты, здесь тоже существует возможность для комбинаторного кода. Когда вы берете музыкальный аккорд, вы стимулируете разные части мембраны, что приводит к восприятию музыки». Но в кодировании обонятельного стимула нет переходов в диапазоне какого-то одного ключевого признака. «Есть непрерывный ряд звуков, которые вы можете нанести на карту, – добавляет Фаерштейн. – В обонянии такого непрерывного ряда нет. Нет непрерывного перехода между альдегидами и кетонами. Или какими-то другими химическими группами или классами молекул».

Любая модель, цель которой – создание карты, связывающей перцептивное обонятельное пространство с пространством стимулов, должна учитывать, что кодирование запаха не линейное или кумулятивное. Рецепторы запахов взаимодействуют с несколькими тысячами разных параметров молекул, не имеющих какой-либо непрерывной связи или шкалы. Следовательно, не существует универсального способа разделить физическое пространство одорантов «в местах сочленения», как длина волн видимого света или слышимые частоты. Обонятельные рецепторы «осмысляют» примерно пять тысяч параметров частиц, включая стереохимическую конфигурацию, молекулярную массу, гидрофобность, функциональные группы, полярность, кислотность и так далее. Вот что подразумевается под многомерностью пространства стимулов.

Обонятельные рецепторы определяют спектр химических свойств, которые транслируются в виде сигнала. Однако они не расщепляют стимулы на однородные регулярные фрагменты, как это делают колбочки глаза. Вы не найдете групп рецепторов для каких-то специфических химических свойств, скажем, одну группу для углеродной цепи и другую – для полярных поверхностей. Рецепторы выбирают разные свойства. Более того, они различаются по диапазону выбираемых свойств (и сочетаний свойств). Скажем, у вас есть рецептор, реагирующий на молекулы с кольцевой структурой с полярной поверхностью, но только определенного размера, а не на любые кольцевые структуры с полярной поверхностью. А теперь перемножьте эти сочетания сотни или даже тысячи раз! Химические признаки определяют пространство стимула. Но они не соотносятся равномерно со всеми рецепторами. Такое мозаичное кодирование объясняет, почему некоторые данные могут соответствовать моделям, связывающим структуру молекул с их запахом. Но не подтверждает возможность предсказания таких закономерностей.

Если диапазон восприимчивости колбочек к длине волны определяет цвет, почему поведение обонятельных рецепторов не определяет запах? Нейробиологи соглашаются, что формирование обонятельного образа строится на картинах активации рецепторов[279]. Однако остается неясным, действительно ли эти картины соответствуют традиционным принципам химии запахов. Может ли изучение поведения рецепторов опровергнуть предпосылки к модели «стимул – реакция»?

Да, может. В двух исследованиях, проведенных в лаборатории Фаерштейна в 2016 и 2018 годах, были сделаны попытки ответить на один простой вопрос: так ли рецепторы классифицируют стимулы, как это делают химики?[280] Химики классифицируют молекулы запаха в соответствии с важными химическими группами и функциями. А группа Фаерштейна регистрировала ответы рецепторов (этот подход в фармацевтике называют медицинской химией). Идея эксперимента проста, но никто раньше до нее не дошел. «Это придумала Зита, – комментирует Фаерштейн, имея в виду своего бывшего постдокторанта Зиту Петерлин. – Я думаю, она видит эти химические структуры, как никто другой. Почти как в фильме «Игры разума». В этих молекулах она видит такие закономерности, которых не видит никто».

Эрван Пуаве, продолживший работу Петерлин после ее ухода в компанию Firmenich, объясняет идею: «Органическая химия оперирует такого рода данными: какая функциональная группа у этой молекулы? Каков ее размер? Какова ее длина? Сколько двойных связей, полярная она или неполярная? Все это разные параметры. И именно по ним химики классифицируют молекулы. Но может быть, это совсем не подходит для биологических систем, таких как система обоняния. Может быть, рецепторам все равно, кислота это или эфир. Допустим, у вас есть альдегид и спирт. С точки зрения химии это разные вещи. Но для обоняния важно, что в обеих молекулах есть кислород с двойной связью. Может быть, рецептор настроен именно на это. Может быть, ему все равно, водород там находится или еще один углерод».

Исследователи из группы Фаерштейна вводили в мышиный эпителий разные молекулы и регистрировали и анализировали ответ рецепторов, чтобы проверить, соответствуют ли предпочтения рецепторов по отношению к стимулам представлениям органической химии. Оказалось, что нет. Обонятельные рецепторы не реагировали на химические особенности стимулов так, как реагировал бы квалифицированный химик. Это означает, что рецепторы действуют по своим правилам. Без знания деталей биологии рецепторов использование больших массивов данных для поиска связи между структурой молекул и их запахом оказалось бессмысленным.

На рис. 6.1 показано, насколько по-разному химики и рецепторы классифицируют химические свойства одорантов. В верхней части рисунка представлены одоранты, среди которых в соответствии с принципами органической химии самыми похожими являются молекулы 3 и 5, за ними следуют молекулы 6, 2, 1, и наконец, 4. В нижней части рисунка показано, что для рецепторов самые похожие – молекулы 5 и 6. При этом молекулы 1 и 2 тоже формируют группу по сходству, отдельно от молекул 5 и 6, а молекулы 3 и 4 ближе к группе молекул 5 и 6, чем к группе молекул 1 и 2. «Мы решили изучить молекулы, которые довольно сильно различаются по химическому строению, – объясняет Пуаве. – Мы взяли циклические молекулы с бензольными или гетероароматическими кольцами, чтобы посмотреть, есть ли между ними нечто общее. И то, как они классифицируются химиками, очень сильно отличается от того, как мы классифицируем их после взаимодействия с нейронами».

На самом деле эксперимент был сложнее, чем описано выше. Пуаве смеется: «У нас в чашках Петри были чувствительные обонятельные нейроны. Мы вводили в ткань одоранты, один за одним. Каждый раз, когда какой-то нейрон реагировал, мы могли видеть это с помощью кальциевого сенсора GCaMP [флуоресцентного белка с очень высокой чувствительностью к активности кальция в клетках]. Мы обнаружили клетки, которые реагировали только на одну молекулу, на две молекулы и на все молекулы. Недурственный набор! Мы проверили несколько свойств. Хотя все вещества были кетонами [речь идет об исследовании 2016 года, в 2018 году это были эфиры], они различались числом атомов углерода в кольце, полярностью и, что более интересно, площадью полярной поверхности кольца». (Площадь полярной поверхности – это сумма поверхностей полярных атомов, таких как азот, кислород и водород.)

РИС. 6.1. Иерархический группирующий анализ эфиров. Сходство молекул запаха. Левое дерево отражает сходство между кетонами, установленное методами аналитической химии. Правое дерево показывает сходство, выявленное обонятельными рецепторами. Эти две схемы химического сходства значительно различаются (объяснение в тексте). Источник: приводится с модификациями из статьи Poivet et al., Functional Odor Classification through a Medical Chemistry Approach, Science Advances 4, no. 2 (2018), fig. 3 CC BY-NC.

Выясняется, что обонятельные рецепторы не обращают внимания на законы аналитической химии. «В первую очередь классификация [кетонов] для их разделения в рамках органической химии, – комментирует Пуаве, – была бы основана на размере кольца, а во вторую – на его составе. Есть ли там атом азота, кислорода, серы? И в результате у нас были бы подсемейства в большом семействе пяти– или шестичленных углеродных циклов». Но у рецепторов другие предпочтения. «Классификация в обонянии очень сильно отличается. Размер вообще не играет роли. И состав кольца не играет роли. По-настоящему важным параметром оказывается площадь полярной поверхности. То, где в трехмерной структуре вашего кольца имеется электрический заряд, решает, примет ли нейрон одорант в качестве лиганда или нет».

Если не вдаваться в технические подробности, исследование Пуаве и Фаерштейна выявило две важные вещи. Во-первых, выяснилось, что приоритет и иерархия свойств, по которым химики и рецепторы определяют химическое сходство, различаются. Некоторые свойства, которые выделяет классическая химия, оказались малозначимыми для рецепторов. Химики и рецепторы по-разному решают вопрос об определении структурного сходства молекул запаха. Во-вторых, рецепторы отвечают на такие химические свойства, которые не были предсказаны и даже не рассматривались в предыдущих исследованиях с привлечением больших массивов данных.

Пуаве подтверждает: «То, что мы увидели, должно наблюдаться в том случае, когда у вас есть обонятельный рецептор, который принимает молекулы с самой маленькой площадью полярной поверхности, молекулы с самой большой площадью полярной поверхности, а также со всеми промежуточными размерами площади, во всяком случае, в отношении этих циклических молекул. Размер неважен, в частности, размер кольца. Это достаточно интересно, поскольку только на основании органической химии вы не могли такое предсказать!»

Выходит, биологическое осмысление химического сходства отличается от химических идеалов. И это меняет подход к созданию теории восприятия запахов. Как в криптографии: для расшифровки кода нужен правильный ключ, все остальное – бессмысленный набор звуков, даже если из них складывается несколько осмысленных предложений. Чтобы понять, что отражает сигнал нейронов, нужно знать, какие свойства стимула кодирует сигнал. Вот вам аналогия. Когда физик дает определение гравитации, важно знать, трактует он это понятие согласно теории Ньютона или теории Эйнштейна. Однако для Ньютона гравитация представляла собой силу в рамках абсолютного времени и пространства (как раздельных понятий), а Эйнштейн определил гравитацию как искривление пространственно-временного континуума. Теперь, когда мы создаем модель химического сходства в обонянии, следует вспомнить об этом как об аналогичном сдвиге парадигмы.

Таким образом, в центре теории обоняния должны находиться два принципа взаимодействия стимулов с рецепторами: во-первых, комбинаторика в действии многомерного стимула, во-вторых, химическое сходство в соответствии с поведением рецептора.

И эти два принципа показывают, почему биология запаха – не черный ящик, через который химия стимула связана с восприятием. Но у обонятельных рецепторов есть еще одно важное свойство, которое в конечном итоге определяет представление запаха на уровне нейронов.

Слепой гомункулус

Мозг отражает то, что ему показывают рецепторы. Он не «видит» конфигурацию внешних сигналов, а имеет дело только с сигналами из эпителия. Следовательно, информационные единицы – отдельные сигналы, осуществляющие функцию кодирования при формировании образа восприятия – определяются механизмами и характером поведения рецепторов, а не хемотопией[281] внешнего раздражителя.

Сигнал, поступающий в мозг, формируется в соответствии с двумя главными механизмами: комбинаторным кодированием и ингибированием. Комбинаторное кодирование расщепляет информацию физического стимула на несколько независимых сигналов. Ингибирование означает, что одни части стимула подавляют активность других (в результате ответ рецепторов на смесь веществ не является суммой ответов на сигналы отдельных компонентов). Эти механизмы, взятые вместе, делают понятие хемотопии (как нейронного представления топологии внешнего стимула) несостоятельным.

Последствия комбинаторного кодирования в передаче сигнала и картине активации нейронов двоякие. Во-первых, сигнал недоопределенный[282] из-за пересечений и наложений. Несколько одорантов взаимодействуют с одним рецептором, и наоборот[283]. Кроме того, рецептор может активироваться под действием разных элементов молекулы. Следовательно, активность рецептора не отражает специфические свойства или микроструктуру молекулы стимула. Во-вторых, еще большая неоднозначность сигнала вызвана неодинаковыми предпочтениями рецепторов при связывании. Мало того что существуют рецепторные коды для разных типов химических признаков, в сочетаниях они имеют разные диапазоны настройки. Рецепторы каждого типа реагируют на определенный набор свойств. Некоторые рецепторы настроены взаимодействовать со множеством одорантов и молекул с разными свойствами. Другие обладают высокой специфичностью и реагируют на меньшее число свойств. Чтобы разобраться, какую информацию и в каком диапазоне передает рецептор, нужно понимать его поведение.

На уровне рецепторов внешний сигнал полностью зашифрован. Скажем, рецептор типа R1 распознает специфическую функциональную группу одоранта, а рецептор типа R2 распознает только линейные структуры с углеродной цепью определенной длины (например, от четырех до шести атомов углерода). На этом уровне информационное содержимое обонятельного стимула расщепляется в поле рецепторов на несколько фрагментов. Вся эта активность рецепторов смешана в едином пространстве.

Комбинаторное кодирование имеет большое значение для кодирования смесей. Это значит, что в естественных условиях одоранты в разных сочетаниях могут перекрываться в рецепторах, которые активируют. Это важно учитывать, когда вы анализируете восприятие смесей. Фаерштейн объясняет: «Вы добавляете смесь [подвергаете ткань воздействию смеси стимулов] и видите, что активируется целый ряд клеток. Затем вы наносите каждый запах отдельно и смотрите, какие клетки активируются. Конечно, если вы сравниваете суммарное количество клеток, реагирующих на отдельные запахи, с количеством клеток, реагирующих на смесь, последнее будет меньше». Фаерштейн предупреждает об ограниченности применения мономолекулярных стимулов. «Обычно мы используем мономолекулярные. Разъедините клетки [отделите их от стенок посуды и выделите из клеточных скоплений], подействуйте запахом и смотрите, что активируется. Добавьте другой запах, и вы увидите иную картину. Но это очень неестественно, поскольку все запахи в мире, которые мы ощущаем, представляют собой смесь до нескольких сотен веществ».

Общая теория кодирования запаха должна строиться на принципах восприятия смесей. Дело в том, что содержащаяся в стимуле информация на уровне рецепторов уже не связана с отдельными молекулами запаха как дискретными внешними объектами. Активация клеток эпителия проявляется в виде пространственной картины. Эти картины активации распределены случайным образом и перекрываются. В результате мы имеем поле, соответствующее сочетанию признаков, причем активность, вызванная одним стимулом (одорантом О1), по топологии неотделима от активности, вызванной другими стимулами (скажем, одорантами О2 и О3), действовавшими одновременно с О1. Информация дистальных стимулов зашифрована в едином пространстве, так что интерпретация обонятельных сигналов зависит от механизмов действия сенсорной системы, а не от внешней конфигурации стимулов.

В итоге мозг не может идентифицировать отдельные компоненты смеси по суммарной картине активации рецепторов. Представьте себе картину активации рецепторов R1-R2-R3-R4. В принципе, за счет комбинаторного перекрывания этот рисунок может быть вызван разными наборами молекул. На рис. 6.2 показано, как это могло бы выглядеть. Действительно, при распознавании смесей рецепторы не в состоянии однозначно идентифицировать отдельные компоненты.

РИС. 6.2. Гипотетический пример комбинаторного кодирования запахов на уровне рецепторов. Картины активации рецепторов (R) под действием смеси одорантов О1 и О2 и смеси одорантов О1 и О3 перекрываются. Аналогичным образом перекрываются картины воздействия смесей, состоящих из одорантов О2 и О3 и одорантов О1 и О4. Источник: © Ann-Sophie Barwich.

Возникает интересный вопрос. Как мозг узнает, с какими веществами он имеет дело? Проведем аналогию с ситуацией, описанной в романе «Флатландия»[284][285]. Флатландия – это вымышленный двумерный мир с двумерными обитателями. Однажды жители Флатландии увидели трехмерный предмет, движущийся через их двумерное пространство. В плоском мире встреча с трехмерным предметом отражается в виде двумерной картины. Теперь представьте себе пространство рецепторов как аналог этого мира, а мозг – как аналог жителя Флатландии, наблюдающего за этой картиной. Представьте себе, что через Флатландию движется сферический предмет, например мяч. Сначала это маленькая точка, которая сначала постепенно разрастается до круга, а потом опять превращается в маленькую точку и исчезает. Теперь представьте перемещение другого предмета, например вращающегося волчка. Он начинает двигаться точно таким же образом! Глядя на плоскость Флатландии, нельзя сказать, является ли двумерный рисунок отображением сферы или вращающегося волчка. В обонянии та же ситуация: картина активации рецепторов, формирующая образ запаха, может быть вызвана наборами разных молекул. Смеси разных одорантов могут создавать одну и ту же картину активации. Подождите-ка, скажете вы. Безусловно, комбинаторика рецепторов подразумевает, что некоторые смеси могут создавать перекрывающиеся картины активации. И все же теоретически отдельные компоненты смеси можно идентифицировать, исключая двойную активацию на уровне рецепторов. Наверное, сделать это не очень просто, но можно. Некоторая неоднозначность при этом сохранится, но общую теорию кодирования запаха для отдельных молекул запаха вывести легче, чем иметь дело со смесями. Однако для мозга это нетривиальная задача, так как проблема осмысления рассредоточенных сигналов на уровне рецепторов на этом не заканчивается, поскольку одоранты в смеси могут блокировать действие друг друга.

Такое подавление стимулов на уровне рецепторов не встречается в других системах чувств. Возможно, это уникальная особенность обоняния. Нет данных, что такое происходит со зрением или слухом. Насколько известно, такого не бывает со вкусовыми или тактильными ощущениями или в какой-то иной сенсорной модальности. «Я не знаю никакой другой сенсорной системы, где бы такое происходило, – восхищается Фаерштейн. – Фотоны зеленого света активируют зеленые колбочки, но при этом не подавляют синие или красные колбочки. Существует антагонизм цветов и все такое прочее, но это уже потом, верно? – Он указывает на свою голову. На уровне рецепторов такого механизма нет. – Фотон красного света с достаточно высокой интенсивностью может слегка активировать колбочки зеленого света. Но он их не блокирует, никакого подавления тут нет».

Действительно ли на самом первом этапе кодирования запаха может происходить подавление? Результаты недавнего исследования, проведенного в лаборатории Фаерштейна, показывают именно это[286]. В большинстве исследований фокус внимания сместился на важные вопросы, касающиеся обработки сигналов центральной нервной системой, однако в лаборатории Фаерштейна продолжают анализировать рецепторы. Фаерштейн считает, что функции рецепторов еще недостаточно изучены. «И мы начали заниматься смесями», – рассказывает он. Но как понять, блокируют ли запахи друг друга, или просто их действие по активации рецепторов перекрывается в результате комбинаторного кодирования? Фаерштейн поясняет, что какую бы смесь вы не наносили на эпителий, «результат будет меньше, чем при суммировании действия отдельных компонентов. Поскольку некоторые рецепторы видят два или три признака, и происходит двойной подсчет».

Ответ был получен с появлением удивительного нового микроскопа SCAPE[287]. SCAPE расшифровывается как swept confocally-aligned planar excitation (сканирующий конфокальный оптическо-плоскостной микроскоп). Фаерштейн смеется: «Это просто удачное сокращение. По сути, это вариант микроскопии плоскостного освещения. Но с ускоренным сканированием, так что в образце ткани вы очень быстро можете зафиксировать много клеток – а это действительно значительное улучшение». SCAPE обеспечил новые экспериментальные возможности для получения терабайтов информации. Он дал возможность сканировать живых существ целиком, например, движущуюся муху: ученые направляют в ее сторону какие-то запахи и наблюдают за ее мозгом в действии. Так же точно можно сканировать фрагменты тканей размером больше мухи или личинки, например, срезы мозга мыши. Новое в этом приборе то, что он позволяет сканировать срезы неповрежденных тканей и при этом регистрировать активность отдельных клеток – и то и другое с невероятно высокой скоростью и высоким разрешением.

«У нас на чашке был полурассеченный препарат головы [мыши], – рассказывает Фаерштейн, – через который мы осуществляли перфузию[288] и могли получать изображение эпителия на большой глубине. Мы могли углубляться на расстояние вплоть до 180 микрон или около того. Но мы также могли видеть каждую клетку. При желании вы можете получать разрешение на уровне единичных клеток. Это как сочетание исследования отдельных клеток и электрокоагулографии[289]». С помощью SCAPE можно устанавливать, какие клетки специфическим образом реагируют на конкретный запах, и соответственно различать картины активации. И все это – в неповрежденной и активной ткани, а не в разъединенных клетках или фиксированных срезах мозга. Фаерштейн замечает: «С такой возможностью логично было проанализировать смеси, чтобы увидеть код». Аспирант Фаерштейна Лу Сюй собрал прекрасный набор данных. Теперь можно посмотреть на срез ткани и увидеть, как весь образец реагирует на стимул.

Было сделано два неожиданных открытия. Первое: молекулы запаха действовали и как агонисты, и как антагонисты[290] рецепторов. «Кажется, один компонент смеси работает не только в качестве агониста, но и в качестве антагониста того или иного рецептора», – рассказывает Фаерштейн. Это означает, что одорант О1 может изменять активность рецептора таким образом, что клетка, активированная другими запахами, скажем, одорантами О2 или О3, проявляет более низкую активность или вовсе не проявляет ее под действием смесей О1 и О2 или О1 и О3. Более того, молекула О1 становится антагонистом не сама по себе, но лишь в сочетании с другими специфическими молекулами запаха (которые также могут выступать антагонистами для других молекул). Следовательно, антагонизм зависит от конкретного сочетания одорантов в смеси и не является характеристикой некоего запаха как такового. Фаерштейн подтверждает: «Мы проверили несколько смесей и не нашли ни одного вещества, которое выступало бы только как агонист или только как антагонист».

Эффект подавления при восприятии смесей запахов был известен из психофизических исследований[291]. Однако этот эффект не связывали с каким-либо механизмом. Возникает ли он на периферии и/или в центральной нервной системе? Ранее несколько раз сообщалось об эффекте подавления на уровне обонятельных рецепторов[292]. Теперь всех удивило его повсеместное распространение. Явление касалось не одного или нескольких необычных рецепторов. «Это довольно широко распространено! – подчеркивает Фаерштейн. – Мы обнаружили, что в смеси трех молекул одоранта (когда вы проверяете три запаха раздельно, а потом их смесь) мы можем наблюдать ингибирование порядка 20 % или 25 %. Это много. Например, если вы посмотрите на клетки, которые активируются преимущественно цитралем, а затем посмотрите на активность этих клеток в смеси запахов, вы обнаружите, что вплоть до 20 % активности подавляется».

Второй сюрприз имел еще более значимые последствия. В смесях был обнаружен не только ингибирующий, но и активирующий эффект. Активация означает, что некоторые клетки, не реагирующие или почти не реагирующие на отдельные молекулы запахов, внезапно демонстрируют активный ответ на смесь молекул. Фаерштейн знает, что это важно. Он признает, что поначалу не видел в этом смысла. Но пока я работала над книгой, его исследование продолжалось. Вскоре после того, как я отправила рукопись в печать, Фаерштейн написал, что они нашли объяснение этому эффекту: дело в аллостерическом взаимодействии. В общих чертах суть механизма в том, что лиганд (такой как одорант) связывается в специфическом участке рецептора (в так называемом аллостерическом участке), изменяя тем самым активность рецептора. Иными словами, одоранты изменяют связывание рецептора с другими одорантами. Например, рецептор R1 не связывается с отдельно взятым одорантом О1. Но если О1 присутствует в смеси с О2, молекула О2 связывается в аллостерическом центре рецептора и изменяет его активность таким образом, что он связывает молекулу О1. Лу Сюй и Фаерштейн проверили несколько вариантов смесей с равными и неравными концентрациями компонентов. И эффект усиления воспроизводимо повторялся.

Аллостерические взаимодействия хорошо известны в фармакологии, но никогда ранее не наблюдались в отношении рецепторов GPCRs. Лу с коллегами нашли ответ на загадку: «Возможно, не следует удивляться, что этот эффект оставался нераскрытым для других GPCRs класса А [один из шести классов GPCRs, сгруппированных на основании гомологии последовательностей и функционального сходства], поскольку они составляют очень маленькое семейство по сравнению с семейством обонятельных рецепторов и среди них гораздо меньше вариаций»[293]. Действительно, размер и генетическое разнообразие семейства обонятельных GPCRs, а также структурное разнообразие их лигандов делает их прекрасной моделью для изучения других GPCRs, что чрезвычайно важно для фармакологии и создания лекарств.

Но в чем функциональный смысл механизмов активации и подавления в кодировании запахов? Лу с коллегами предполагают, что они нужны для опознания и идентификации компонентов сложных смесей. Рассмотрим эффект комбинаторного кодирования в обонянии: «Если учесть, что любая молекула запаха в некоей средней концентрации может активировать от трех до пяти рецепторов, то смесь всего лишь десяти запахов может занять до 50 рецепторов, а это более десяти процентов семейства человеческих рецепторов. Это приведет к сокращению различий между двумя смесями десяти схожих веществ». В результате вы не сможете опознавать запахи при сравнении более сложных смесей (часто содержащих несколько десятков или даже сотен одорантов). Картины активности нейронов становятся все менее и менее четкими; это также связано с перекрыванием чувствительности рецепторов. Как мозг дифференцирует разные сложные смеси, учитывая этот невероятный уровень активации рецепторов и перекрывание картин активации? Нужно понизить активность рецепторов, чтобы улучшить опознание разных сложных сочетаний. Для этой цели и нужны механизмы подавления и активации.

Таким образом, эти открытия демонстрируют сдвиг парадигмы в поисках теории кодирования запаха. Они показывают, что рецепторный код для смесей коренным образом отличается от кода для отдельных молекулярных стимулов. Идея линейной и аддитивной комбинаторной модели кодирования запаха, как в случае слуха и зрения, полностью рухнула. Нельзя расшифровать обонятельный код, не понимая поведения рецепторов.

Значительная степень неопределенности заложена в модель кодирования запаха по комбинаторной схеме. Разные смеси одорантов могут создавать одну и ту же картину активации рецепторов, а это означает, что пространственное распределение обонятельных сигналов не позволяет однозначно идентифицировать запахи в смесях. Сравните эту идею с известным тезисом из области философии науки о «недоопределенности теории опытом», который был сформулирован французским физиком Пьером Дюэмом и расширен американским философом Уиллардом ван Орманом Куайном[294]. Тезис гласит, что один и тот же набор данных можно объяснить с привлечением разных и даже противоречащих друг другу теорий. Таким образом, одни и те же наблюдения могут быть интерпретированы совершенно иначе в зависимости от прочтения. Например, тот факт, что солнце встает на востоке и садится на западе, вполне совместим и с геоцентрической, и с гелиоцентрической моделью Вселенной: одни данные, разные модели. Теперь мы увидели, что ситуация аналогична и для комбинаторного кодирования запахов на уровне рецепторов. Так как же мозг узнает, что на самом деле происходит за пределами носа? Как нос может точно передать, с какими запахами он встречается? И в чем могла бы заключаться функция такого неопределенного кодирования?

Без модели, учитывающей поведение рецепторов, мы не сможем понять, как мозг придает смысл запахам, о чем сигнализирует и что отражает картина активности нейронов. Лу с соавторами отмечают, что их выводы о кодировании на уровне рецепторов имеют последствия для обработки сигнала центральной нервной системой. Они считают, что мозг идентифицирует запахи путем распознавания образов, а не через комбинаторное кодирование и топографическую репрезентацию: «Учитывая недавние исследования грушевидной коры мозга, указывающие на отсутствие топографического представления, существуют многочисленные предпосылки к рассмотрению альтернативных стратегий кодирования, которые также объясняют модулирующее действие рецепторов на первой стадии определения запахов». В двух последующих главах мы подробнее рассмотрим обоснованность этого заявления и возможность построения соответствующих альтернативных моделей.

А пока давайте заключим, что эффект, вызванный смесью запахов, нельзя предсказать, используя модели, описывающие кодирование запаха для отдельных компонентов. Хотя точные механизмы в основе этих эффектов все еще находятся на стадии изучения, мы видим, что общая теория обоняния должна исходить из ответа рецепторов на стимулы, а не из химической топологии, определяемой традиционной химией. Стивен Мангер комментирует: «То, что в конечном итоге видит мозг, возможно, совсем не связано с тем, что сделал бы отдельный компонент».

Где молекулярная наука встречается с парфюмерией

Обонятельная система эволюционировала так, чтобы оценивать запахи в контексте, а не по отдельности. Это первый важнейший шаг к пониманию механизмов кодирования запаха, которое продолжается на этапе обработки сигнала мозгом. Облака молекул – не разрозненные делимые объекты, ведь одоранты смешиваются с элементами окружающего пространства. Поэтому нос измеряет запахи относительно друг друга и как часть обонятельного ландшафта. Это подразумевает решение двух задач: сравнение сложных смесей (одинаковые или разные) и выявление составляющих компонентов сложных смесей. То, что в таком контексте нос может распознавать отдельные летучие вещества с удивительной точностью, не означает, что это главный вычислительный принцип восприятия.

Восприятие смесей запахов – это та область, где молекулярная наука пересекается со знаниями парфюмерии. На уровне обонятельных рецепторов при кодировании смесей наблюдаются эффекты подавления и активации. Эти молекулярные эффекты, удивившие ученых, уже давно хорошо известны парфюмерам.

Рассмотрим пример туалетной революции (да, вы правильно прочли!). Недавно фонд Билла и Мелинды Гейтс объединил усилия с компанией Firmenich – крупнейшим мировым производителем ароматических веществ – для борьбы с запахом в общественных туалетах в сельской местности с минимальной доступностью водных ресурсов[295]. Туалеты без воды – санитарная проблема, так как вода нейтрализует большую часть амбре. Без воды общественные туалеты превращаются в камеры пыток, перенасыщенные вонью фекалий, мочи, тел, пищи и курева. Вы просто захлебываетесь запахом. Понятно, что люди предпочитают испражняться в поле, на свежем воздухе, а это грозит распространением заболеваний и служит источником инфекций. Чтобы изменить поведение людей, Firmenich и фонд Гейтсов совместными усилиями работали над тем, чтобы сделать запах таких туалетов приемлемым.

Кроме общественного блага, эта работа имеет фундаментальный научный интерес. Она демонстрирует возможность связать восприятие с молекулярными основами, на которых можно построить модель обонятельного кодирования. Участник программы Мэтт Роджерс комментирует: «Проект направлен на создание средств против неприятных запахов, являющихся антагонистами рецепторов, это поиск молекул, которые закрывают рецепторы от неприятных запахов; такие молекулы были идентифицированы и использовались в общественных туалетах в Африке. Мы передали этот список антагонистов парфюмеру, который должен был создать ароматическое средство с такими молекулами-антагонистами».

Парфюмеры знают, а ученые начинают осознавать, что многие аспекты восприятия запахов возникают при смешивании молекул (см. главу 3). Некоторые одоранты действуют как антагонисты и подавляют восприятие других компонентов в смеси. Однако превращение одоранта в антагонист часто зависит от сочетания с другими молекулами смеси. Сенсорная система не суммирует стимулы; она часто основывается на принципах, которые проявляются только при кодировании смесей.

В этой точке пересечения молекулярного и перцептивного опыта есть возможность для подключения психологии. Психологические рассуждения помогают определить вычислительные принципы, соединяющие кодирование запаха на молекулярном уровне с наблюдаемыми эффектами восприятия (см. главу 9). Марион Фрэнк из Коннектикутского университета заявляет: «Нужно учитывать, как обонятельная система действует в естественных условиях. А именно – что она делает с тремя-четырьмя разными химическими веществами одновременно, если интенсивность каждого из них меняется со временем». Цифры, названные Фрэнк, не случайны, они связаны с пределом Лэйнга (по имени Дэвида Лэйнга, выполнившего серию исследований на эту тему в 1980-х годах)[296]. Лэйнг обнаружил максимальное количество индивидуальных запахов, которые человек (с тренировкой и без тренировки) может различить в одной сложной смеси. Обычно оно составляет три отдельные ноты для нетренированного носа и от трех до пяти нот для носа эксперта, а значит, существует некий общий предел возможностей сенсорной обработки, и дело не в отсутствии опыта. И это дает нам первый важнейший ключ к пониманию кодирования запахов: механизм строится на распознавании образов, а распознавание образов определяется не кодированием отдельных запахов, а тем, как система обрабатывает их сочетания.

Нос собирает образцы – а мозг измеряет смеси. Эта идея измерения вступает в игру двумя способами уже на периферии.

Во-первых, система должна быть откалибрована. Чтобы мозг мог измерять внешние показатели, он должен иметь основу для оценки изменений, обнаружения новых объектов и выявления особенностей. Замечательно, что обонятельная система делает все это, не отвлекаясь на фоновые запахи. Дело в том, что наш нос быстро привыкает к запахам, хотя и с разной скоростью. Неравномерное привыкание обонятельных рецепторов стимулирует научное исследование смесей. И эта неоднородная адаптация – определяющий механизм в восприятии смесей.

Восприятие некоторых компонентов смеси через какое-то время подавляется из-за избирательной адаптации, так что неадаптированные элементы становятся более заметными[297].В результате одна и та же смесь воспринимается иначе в зависимости от того, сколько времени человек ее нюхает. Кроме того, скорость адаптации у людей разная. Томас Хеттингер считает, что избирательная адаптация объясняет, как наша обонятельная система настраивается на восприятие запахов в составе смесей. «Допустим, мы берем смесь из трех компонентов, а затем добавляем в нее четвертый. Сначала несколько минут мы нюхаем смесь из трех компонентов; мы «адаптируемся» к этому фону. Затем мы сразу же нюхаем смесь с четвертым компонентом. Четвертый компонент воспринимается на фоне трех других компонентов. Так можно выделять информацию об отдельных компонентах смеси». Хеттингер подчеркивает: «Сочетание подавления и избирательной адаптации позволяет распознавать компоненты смеси». Кодирование смесей – это тот уровень, на котором химия встречается с психологией через биологию. Фрэнк соглашается: «Комбинированные исследования хорошо известных психофизических явлений «подавление в смесях» и «избирательная адаптация» обеспечивают экспериментальный контроль над естественной работой обонятельной системы».

Во-вторых, есть вычислительное масштабирование обонятельной информации с рецепторов. В него входит измерение «сколько» и «в какой пропорции». Для оценки химической информации в контексте обонятельная система сначала разбивает отобранную информацию на множество фрагментов и лишь затем создает образ запаха. Этот образ, как нам теперь известно, не является суммой молекулярных частей запаха. Как мозг вычисляет образ запаха смеси из многих отдельных компонентов? Ключ опять в кодировании смесей.

Вычисление образа запаха зависит от соотношения, в котором система находит одоранты в смеси. Недавние исследования показали, что обонятельная система взвешивает соотношение запахов для обнаружения закономерностей. Хеттингер и Фрэнк анализировали показатели концентрации, используя представление о значении активности запаха (odor activity value, OAV)[298].Параллельно они работали с химиком Винченте Феррейра из университета Сарагосы[299]. Фрэнк объясняет: «Этот параметр определяется как отношение концентрации одоранта к его пороговому значению. Исходя из небольшого числа допущений, мы заключили, что отношение вероятностей идентификации (P1/P2) приблизительно равно отношению значений активности запахов (OAV1/OAV2). Это преобразование важно, поскольку позволяет установить вклад компонентов в смесях ароматов, которые часто описываются через значение активности запаха».

Определяет ли соотношение запахов образ запаха? Терри Экри представил дополнительные экспериментальные доказательства. В его лаборатории воссоздали аромат картофельных чипсов с помощью лишь трех ключевых молекул[300]. Выполненный Экри синтез сложного запаха из нескольких основных одорантов не позволил сформулировать упрощенное объяснение запаха и свести характеристику запаха к нескольким физическим параметрам. Ни одна из составляющих его молекул не имеет запаха картофельных чипсов: метилмеркаптан пахнет тухлой капустой, метиональ – картофелем, а 2-этил-3,5-диметилпиразин – поджаренным хлебом. Важный вывод таков, что конфигурационный образ «картофельных чипсов» зависит не только от списка компонентов, но и от соотношения ключевых одорантов.

Калибровка и масштабирование – неотъемлемая часть измерений. Они чрезвычайно важны и для кодирования запахов, поскольку связывают восприятие с молекулярными причинами запаха. Соотношение компонентов в смеси – еще одно важное условие, известное из парфюмерии (см. главу 9), а также из биологии. Стивен Мангер отмечает: «Сложные смеси химических веществ очень строго определяются не только составом, но и пропорцией компонентов. Обонятельная система должна разделить их, чтобы идентифицировать отдельные составляющие, но сделать это так, чтобы сохранить ключевые свойства смеси в образе, поступающем в мозг. Этот образ кодируется нервной системой так, чтобы животное могло избрать правильную поведенческую реакцию».

Итак, в основе кодирования и вычисления качества запаха может лежать не только «что» входит в смесь, но и «в каком соотношении». Какие нейронные механизмы позволяют обонятельному мозгу принять сигнал и действовать в таком ключе, чтобы отбирать и измерять, а затем отображать и отмечать на карте изменчивый состав химического окружения?

Топология нейронного отображения

Кодирование на уровне рецепторов показывает, что мозг создает модель обонятельного стимула иначе, чем химик-аналитик создавал бы модель молекулы. Чтобы понять принципы отображения запаха нейронами, нужно выйти за пределы хемотопического представления стимулов. Исследования механизмов кодирования смесей, описанные в данной главе, демонстрируют сложную картину. Но мозг как-то должен понимать, что попадает в нос. Картина активации рецепторов – не единственный и не окончательный ответ. Каким-то образом мозг организует эту обширную мозаику активности рецепторов. После уровня рецепторов активность нейронов по кодированию смесей не выстраивается в виде какой-либо понятной карты, отражающей соотношение стимулов и ответов. Обонятельные стимулы нельзя отложить на аддитивной шкале, поскольку их кодирование и вычисление не суммируются ни в луковице (см. главу 7), ни уж тем более в обонятельной коре (см. главу 8). С точки зрения мозга одна и та же картина активации рецепторов, наблюдаемая им, может создаваться разными отдаленными объектами (физическими стимулами).

То, как мозг интерпретирует картину активации рецепторов, становится интригующей загадкой. Вопрос уже не сводится к тому, как мозг узнает, скажем, что цис-3-гексенол пахнет свежескошенной травой. Вопрос уже в том, как мозг осмысляет перекрывающуюся и недискретную активность рецепторов, возникающую в ответ на обонятельные стимулы. Иными словами, как мозг превращает рассредоточенную активность рецепторов в картину на уровне нейронов и в образ восприятия? По какому принципу мозг осмысляет мозаичные данные, отражающиеся на уровне рецепторов? Эти вопросы подводят нас к анализу обонятельного мозга, чему посвящены две последующие главы.

Ящик Пандоры открылся.

Глава 7. Анализируем луковицу

Такие сложные биологические системы, как системы чувств, редко удается понять только через призму свойств составляющих элементов. Яркий пример – конвергентная организация[301] рецепторов в обонятельной луковице, обладающей дискретной пространственной активностью. Насколько такая структура определяет функцию? «Мы этого не знаем, – комментирует Стюарт Фаерштейн. – В нейробиологии и, возможно, во многих разделах биологии вы обнаруживаете нечто и решаете, что оно очень хорошо соответствует конкретной функции. Но часто вы не знаете, выглядит ли оно так, поскольку хорошо соответствует данной функции, или это одно из решений, возникших в процессе развития, которое не имеет никакого отношения к функционированию взрослого организма – это лишь был простейший путь для ее формирования. Я думаю, ситуация именно такова [в обонятельной луковице]». Что это означает для нашего понимания функционирования обонятельного мозга?

Обонятельный путь кажется очевидным. Это почти непрерывный путь из воздуха к коре мозга. Лишь два синапса опосредуют воспроизведение химической информации из окружающей среды на уровне нейронов. Это самый прямой сигнальный путь среди всех сенсорных систем (в зрительной системе два синапса не выводят даже за пределы сетчатки!) Но мы все еще не понимаем до конца, как обонятельный мозг отражает сенсорную информацию. Эта простота обманчива.

Как дезорганизованная на уровне эпителия мозаика информации складывается в стойкий образ при переходе всего через один или два синапса? Сейчас этот вопрос находится в фокусе нейробиологических исследований, поскольку, как выясняется, обонятельный мозг – не укороченная версия других сенсорных систем. Функциональная локализация – основная парадигма сенсорной нейробиологии – связана со стереотипным (то есть генетически заданным и воспроизводимым) отражением стимула на карте сенсорной коры. Но, похоже, эта модель не применима к обонянию. Отличие нейронной организации обонятельной системы от организации других сенсорных систем – тема этой и следующей глав. Функционирование обонятельной луковицы отражает скрытую сложность обработки обонятельных сигналов.

Один-два синапса – и мы в коре

На первый взгляд обонятельная система представляет собой простой путь, состоящий из трех основных этапов. Сначала информация отбирается рецепторами, расположенными на ресничках чувствительных нейронов назального эпителия. Как мы обсуждали в Главе 6, картина активации на уровне рецепторов не имеет определенной пространственной организации. Далее сигналы рецепторов отсылаются в обонятельную луковицу, расположенную в нижней части лобной доли мозга, где они собираются в так называемых клубочках[302] (сферических нейронных структурах). И неожиданно в луковице мы обнаруживаем пространственно различимые картины активации. Это возможно благодаря особым генетическим свойствам системы. Каждый клубочек принимает сигналы ото всех нейронов, в которых экспрессируется ген одного специфического рецептора. (На самом деле из экспериментов на мышах известно, что нейроны, экспрессирующие ген одного и того же рецептора, проецируются примерно в два клубочка: иногда чуть больше, иногда чуть меньше). А клубочки иннервированы митральными клетками. Здесь осуществляется первый синаптический переход.

Митральные клетки, названные так из-за сходства их формы с головным убором католического епископа, принимают сигнал от рецепторных нейронов и передают в определенные области обонятельной коры. Аксоны митральных клеток ведут к амигдале, энторинальной коре и обонятельному бугорку, но большинство доходит до так называемой грушевидной (или пириформной) коры – самого обширного отдела обонятельной коры, который связан с некоторыми соседними отделами коры уже вне обонятельной системы. Здесь обонятельные сигналы быстро смешиваются с сигналами из областей, связанных со многими другими процессами с перекрестной модальностью (обонятельный бугорок), с процессом принятия решений (орбитофронтальная кора), памятью (гиппокамп) и эмоциями (амигдала). Это место второго синаптического контакта.

Рамон-и-Кахаль в начале XX века указывал на эти особенности обонятельного пути. Его изображение обонятельной системы отражает ранние научные представления (рис. 7.1)[303].Кахаль считал, что простой путь обоняния служит прекрасной моделью для изучения мозга в целом.

В исследованиях мозга в XX веке совет Рамон-и-Кахаля был забыт. Отчасти по методологическим причинам: обонятельный стимул сложно передать и сложно контролировать (см. глава 1). Также казалось невозможным обнаружить в носу рецептивное поле, такое как Куффлер нашел в сетчатке глаза (см. глава 2). В ретроспективе это становится понятным, если учесть большое разнообразие рецепторов и данные современных исследований кодирования запаха. И все же почему за три последних десятилетия уже после открытия рецепторов так и не был взломан код обонятельных нейронов? Если исходить из наблюдений Рамон-и-Кахаля, это может показаться достаточно очевидным делом.

РИС. 7.1. Рисунок обонятельного пути, выполненный Рамон-и-Кахалем. Показано, как заключенная в запахе информация передается через два синапса: первый на уровне клубочков (сферические структуры слева), второй – при проецировании в кору (справа). Рисунок любезно предоставлен Институтом Кахаля: архивы Рамон-и-Кахаля, Высший совет по научным исследованиям (CSIC), Мадрид, Испания.

«Потому что Рамон-и-Кахаль не представлял молекулярной сложности пути», – комментирует Чарли Грир. Как считает его коллега Цзоу Донцзин из лаборатории Фаерштейна, в этой области многие вопросы по-прежнему остаются без ответа, когда речь заходит о деталях работы системы: «Например, сколько митральных клеток выходит из обонятельной луковицы? Все ли они одинаковые? Есть только один главный тип или несколько типов клеток? Никто этого не изучал в деталях». Рэнди Рид соглашается: «Ответить на этот вопрос сложно. Мы знаем, что не все они одинаковые. Но мы не знаем, почему они не одинаковые».

Самая большая загадка обонятельного мозга в том, что он создает сложную топографическую карту обонятельных сигналов, чтобы немедленно отказаться от нее сразу после первой синаптической передачи. «Вот есть удивительная карта, – комментирует Ричард Аксель. – Это одна из самых красивых карт мозга. Она прекрасна концептуально и очень хороша эстетически». Но кора немедленно о ней забывает. Обонятельные сигналы в грушевидной коре тщательнейшим образом перемешиваются, и их пространственное распределение в значительной степени случайно (см. глава 8). «И вот эта прекрасная и тщательно организованная в луковице структура ни с того ни с сего фактически отбрасывается».

Обонятельная луковица представляет собой загадку – одну из тех, которые не разгадать немедленно: ее пространственная организация далеко не очевидна по двум причинам. Первая: карта запаха в луковице не играет никакой роли при дальнейшей обработке обонятельных сигналов и их превращении в образ запаха. Обонятельная кора отличается от других отделов первичной сенсорной коры отсутствием топографической организации, ставшей парадигмой для нейробиологов, изучающих системы чувств. Вторая причина касается карты запаха в самой луковице. Что на ней отражено? И насколько справедливо предположение, что пространственная организация луковицы вообще является картой? Топография луковицы базируется на гораздо менее прочных основаниях, чем считалось ранее.

Обманчивая простота

Вероятно, обонятельная луковица – наиболее подробно изученная нейронная структура обонятельной системы. Но аналогично тому, как в последнее время вновь возник интерес к изучению сетчатки глаза, недавние исследования луковицы поставили под сомнение старые идеи о ее структуре и функции.

Пересмотр традиционных взглядов начинается с размера луковицы: издавна было принято считать, что размер этой структуры уменьшился у высших млекопитающих, особенно у человека. В процессе эволюции, по мнению известного психолога Стивена Пинкера, обонятельная луковица «съежилась до трети от ожидаемого размера у приматов (уже небольшого по стандарту млекопитающих)»[304]. Это мнение остается широко распространенным, однако не выдерживает проверки. В недавней статье в журнале Science нейробиолог Джон МакГанн из Ратгерского университета заявил, что обонятельная луковица человека не так уж мала[305]. МакГанн задался вопросом: «Что мы понимаем под размером в первую очередь? Имеем ли мы в виду пропорциональное соотношение, межвидовое сравнение или плотность нейронов? Существует много способов оценки связи между структурой и функцией!»

Размер, как и любая мера, зависит от шкалы. Объем человеческой обонятельной луковицы невелик. Однако по количеству нейронов луковицы человека и других животных сравнимы. Кроме того, можно сказать, что у человека не луковица съежилась, а увеличился мозг. Чарлз Ф. Стивенс из Института Солка проанализировал масштабы нейронных микросетей и указал на сохранность обонятельных нейронных структур в целом у разных видов[306]. Другие ученые считают, что обонятельная луковица представляет собой заметное исключение из общего правила для относительных размеров мозговых структур, так что размер луковицы непредсказуем и не зависит от размера мозга[307]. Причины этого по-прежнему неизвестны.

Все это показывает, что на пути исследования связи структуры и функции тоже есть сложности. Как же приступить к изучению функции луковицы? Нужно ли создавать модель функционирования луковицы и ее рецептивных полей по аналогии со зрительной системой, как для сетчатки, таламуса и первичной сенсорной коры? Мнения по этому вопросу расходятся. Ранее Рамон-и-Кахаль и позднее Гордон Шеферд сравнивали луковицу с сетчаткой. Нейробиолог Лесли Кей из Чикагского университета комментирует: «Аргументация Гордона основана на дендро-дендрическом[308] синапсе». (Мы скоро об этом поговорим.) Напротив, в дружеском споре Кей объясняет: «Мы с Мюрреем Шерманом в 2007 году написали статью, где сравнили нейронные сети обонятельной луковицы и таламуса»[309]. В статье говорилось, что нейроны этих структур имеют одинаковые связи и одинаковые свойства. Кей надеется, что ученые, занимающиеся таламусом, заинтересуются тем, что обнаружили в обонятельной луковице, в ее нейронных сетях. «Мы в большей степени, чем те, кто занимается таламусом, можем предсказать, что изменит систему и каким образом».

Без понимания механизма обработки информации соотношение структуры и функции остается недоопределенным. Возможно, такой механизм не требует топографической организации. Пространственная активность луковицы должна отражать вычислительные принципы этого механизма и связь с другими данными.

Основные элементы анатомии луковицы были открыты в конце XIX века: в 1875 году Камилло Гольджи опубликовал морфологическое описание клеток обонятельной луковицы собаки[310]. Опробовав новый метод окрашивания серебром, Гольджи представил элегантное изображение луковицы – первый полностью прокрашенный образец целого отдела мозга. На Рис. 7.2 представлено описание луковицы, сделанное Гольджи в мельчайших подробностях. Немедленно обращают на себя внимание многочисленные слои луковицы. Это область, «густозаселенная» клетками разных типов. Сначала идет гломерулярный слой (А на рисунке Гольджи), где заканчиваются все обонятельные нервы из эпителия. Ближе к митральным клеткам располагаются более мелкие пучковые клетки, которые получают обонятельные сигналы через свои дендриты, проникающие в клубочки, и отправляют далее в кору (слой B).

Но прежде чем эти сигналы отправляются в кору, они подвергаются локальной обработке в луковице. Так что в луковице мы уже не имеем дела с исходной картой рецепторной активности. Локальная обработка заключается в латеральном ингибировании, подразумевающем, что возбужденные клетки могут подавлять соседние клетки (понижать их активность). Это полезное свойство для любой системы, в которой бывает необходимо предотвращать неконтролируемую активацию. В результате за счет отделения активных клеток от неактивных или менее активных отображение сигнала на уровне нейронов уточняется. Такой же механизм реализуется в системе зрения и в других сенсорных системах.

РИС. 7.2. Окрашивание обонятельной луковицы собаки, выполненное Гольджи и отражающее наличие в луковице разных слоев. Мы видим (A) гломерулярный слой со сферическими структурами нейронов; (B) слой крупных митральных клеток с пучками дендритов, включая горизонтально расположенные клетки, которые теперь называют пучковыми клетками; (C) толстый гранулярный слой, простирающийся до коры. Источник: C. Golgi, Sulla fina struttura del bulbi olfattorii, Rivista sperimentale di freniatria e medicina legale 1 (1875): 405–425; репринт (Reggio-Emilia: Printer Stefano Calderini 1985).

На первый взгляд происходящее в луковице напоминает происходящее в сетчатке. За латеральное ингибирование в луковице отвечают нейроны особого типа – гранулярные клетки (слой С). В отличие от типичных нейронов, у гранулярных клеток отсутствуют аксоны. У них есть лишь тело (сома) и дендриты (как у амакриновых клеток сетчатки; см. глава 2). Эти дендриты перекрывают расстояние между митральными клетками, чтобы координировать их активность. Гранулярные клетки мелкие, но их много; каждая митральная клетка окружена примерно сотней гранулярных клеток. Гранулярные и митральные клетки формируют петли, которые Шеферд назвал «микросетями»: митральные клетки возбуждают гранулярные клетки, которые, в свою очередь, подавляют митральные клетки. Эта последовательная самоподавляющаяся активность в луковице происходит за счет дендро-дендрических взаимодействий, без участия аксонов.

Непосредственно после первого синапса происходит много событий. Как будто луковица живет в своем ритме, не подчиняясь потоку информации, посылаемой рецепторами. Теперь интересно рассмотреть микросети, поскольку они определяют как пространственные картины активации, так и временные последовательности в передаче сигналов в луковице.

Рассматривая структуру луковицы в подробностях, мы обнаруживаем несколько типов клеток разной формы, размера и назначения. В частности, «оболочка» клубочков состоит из юкстагломерулярных клеток (небольших вставочных нейронов, являющихся главным узлом сообщения между чувствительными или двигательными нейронами и центральной нервной системой). Кроме «первой сети» митральных и пучковых клеток, мы обнаруживаем целый зверинец вставочных нейронов в разных клеточных слоях луковицы, включая перигломерулярные клетки (PG), внешние пучковые клетки (ET) и клетки с короткими аксонами (SA). Эти клетки из разных микросетей участвуют в передаче сигналов внутри клубочков и между клубочками. Изучение вставочных нейронов луковицы продолжает преподносить сюрпризы (так недавно было установлено, что клетки с короткими аксонами, возможно, являются первым типом вставочных нейронов, сообщающихся с уровнем клеток, принимающих входной сигнал)[311].

Как понимание структуры микросетей связано с функциональным устройством луковицы и проблемой преобразования стимула? Эти подробности важны для понимания того, как информация от рецепторов «тормозится», «встраивается», «синхронизируется» и «усиливается» в разных структурах клеточных слоев луковицы (что выясняется благодаря тщательному изучению микросетей луковицы в исследованиях Майкла Шипли, Захари Мейнена, Берта Закмана, Гари Вестбрука, Бена Стоубриджа, Джеффри Исааксона, Томаса Клеланда, Марка Ваховяка, Натана Урбана, Гордона Шеферда, Чарлза Гира и других ученых). Иными словами, какая информация, поступающая от рецепторов, отображается в активности луковицы? Как взаимодействуют одновременно активированные клубочки (и связано ли их перекрестное действие с топографией)? Определяется ли пространственный рисунок активности луковицы в большей степени входящим стимулом или процессами параллельных вычислений (такими как ингибирование или нисходящие сигналы), так что одна и та же молекула запаха в разных условиях может вызывать разные картины активации?

Представьте, что вы используете смесь одорантов A и B. Вне зависимости от эффектов подавления сигнала на уровне рецепторов, следующий вопрос в том, подвергается ли сигнал смеси A+B, разбитый на несколько отдельных сигналов на уровне рецепторов, линейной или нелинейной рекомбинации. На Рис. 7.3 изображен гипотетический сценарий. Давайте предположим, что в индивидуальном виде одорант A активирует специфическую группу клубочков {G1—G8}. Так же действует одорант B, который, как и одорант A, активирует клубочек G1 {G1; G9—G13}. При смешивании одорантов картина их действий может быть либо аддитивной {G1—G13}, либо селективной, например, {G1; G6; G9; G10; G13}. Оба варианта возможны, и результат будет зависеть от таких факторов, как ингибирование или слабость некоторых сигналов, не способных преодолеть пороговое значение.

РИС. 7.3. Два возможных механизма интеграции стимула при обработке сигнала смеси в обонятельной луковице. Смеси могут быть представлены либо линейным сложением активности клубочков (справа вверху), либо селективным сочетанием их активности (за счет механизма ингибирования) (справа внизу). Источник: P. Duchamp-Viret et al., Olfactory Perception and Integration, in Flavor: From Food to Behaviors, Wellbeing and Health, ed. P. Etrévant et al., Series in Food Science, Technology and Nutrition (Cambridge, UK: Woodhead, 2016) © 2016 Elsevier Ltd.

Однако картина активности луковицы – это еще не все данные, которые можно извлечь из анализа основных механизмов ее выражения.

Расщепляем луковицу

Замечательная способность луковицы – превращать активность рецепторов эпителия, кажущуюся разрозненной и случайной, в пространственно организованные кластеры, как отпечатки пальца, только «отпечатки мозга» для каждого запаха. Остановимся на этом на минуту. После комбинаторного хаоса на уровне рецепторов луковица выглядит как точная карта для каждого запаха – прямой путь от активности рецепторов к нейронному представлению. В научной литературе эту организацию принято называть картой стимулов, по аналогии со зрительной системой. Химические свойства стимулов отражаются на карте в виде картин пространственно определенной активности нейронов. Теоретически разные картины активности должны соответствовать разным свойствам стимулов. Является ли луковица такой картой, отображающей молекулы запаха или химию запаха? К сожалению, все не так просто.

На карте мы пытаемся обнаружить либо упорядоченное представление некоторых физических свойств внешней среды, либо некий результат их вычисления. Карта запахов должна отражать поступающие сигналы тем или другим образом. В случае луковицы возможны три интерпретации такой карты: ринотопичпеское (систематическое отражение расположения рецепторов), одотопическое (четкая пространственная активность, соответствующая одорантам) и хемотопическая (пространственное отражение химических свойств одорантов)[312].Но даже на интуитивном уровне непонятно, возможна ли хотя бы одна из этих интерпретаций.

В отличие от обзорной литературы, указывающей на «хемотопический» или «топографический» характер организации луковицы, у специалистов по обонянию нет установившегося мнения. «Я никогда не был в этом [в наличии карты запахов] полностью уверен, – сообщает Фаерштейн, – поскольку, честно говоря, не могу представить, как бы выглядела такая карта. Что вы нанесете на карту связи луковицы и запахов, поместите ли вы альдегиды рядом с кетонами или расположите между ними эфиры? Мы не можем ответить, поскольку пока нет рационального основания».

«Я не думаю, что карта луковицы что-то означает, – отвечает Линда Бак. Она считает, что луковица отображает пространственное расположение рецепторов. – Однако я думаю, что ее связь с восприятием или с чем-то еще весьма неопределенная. Я долгое время считала, что организация луковицы могла возникнуть косвенным путем за счет механизмов развития, которые эволюционировали таким образом, чтобы сводить нейроны с одинаковыми рецепторами к одному синапсу. Это может быть выгодно, чтобы позволять сигналам низкой интенсивности от тысяч нейронов интегрироваться в гораздо меньшее количество нейронов луковицы. Возможно, это важно для чувствительности определения запахов в низкой концентрации, но сама по себе карта ничего не означает».

Бывший постдокторант Фаерштейна Мэтт Роджерс из компании Firmenich играет роль адвоката дьявола: «Я думаю, в луковице реализуется хемотопическая карта. Но, возвращаясь к точке зрения Стюарта, мы возвращаемся и к вопросу, в чем ее назначение. Видите ли, я учился у Стюарта, я выпил почти весь его запас Кул-Эйда[313], – смеется Роджерс. – Я думаю, что мы перестали верить в функциональное содержание хемотопической карты по той причине, что мы еще не видели ее в чистом виде». И проясняет: «Я называю это хемотопической картой, поскольку читал статьи и это осталось в моей голове в качестве способа описания. Но я полностью согласен [с критикой]: я не знаю, карта ли это… Возможно, это не карта. Но если не карта, то что?»

«Я думаю, это вопрос семантики, – включается Чарли Грир. – Нет сомнений, что аксоны от сенсорных нейронов с одним и тем же рецептором запаха сливаются в клубочках и располагаются как минимум по соседству в обонятельной луковице. Я воздержусь от того, чтобы называть это топографической картой, но в этом есть некая специфичность».

Есть несколько причин, чтобы отбросить идею о карте запаха во всех трех интерпретациях. Вопрос о хемотопии уже рассматривался в главе 6, где было показано, что механизмы действия рецепторов не являются отражением химической топологии. Однако принципы связывания сигналов с рецепторами в эпителии отличаются от механизмов, определяющих организацию клубочков в луковице. Может ли быть, что строение луковицы коррелирует с химической топологией молекул запаха? Ответ на этот вопрос тоже отрицательный. Многомерные стимулы и даже часть их свойств нельзя отразить на плоской поверхности луковицы[314]. Это относится как к млекопитающим, так и к насекомым. Результаты исследования насекомых были совершенно однозначны на этот счет[315].Не существует определенного пространственного расположения химических признаков, типа «альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там». В активности клубочков есть химическая специфичность, но это не хемотопия[316].

А что можно сказать о ринотопии (по аналогии с ретинотопией в зрительной системе)? Хотя в луковице выявлены некие неопределенные генетические зоны, ее организация совершенно не сопоставляется с топографией зрительной системы. Особое свойство ретинотопии зрительной системы в том, что соседние клетки имеют похожие рецептивные поля. И это на самом деле ключ ко всей ее репрезентативной организации (см. глава 2). На первый взгляд может показаться, что это справедливо и для луковицы. Кажется, что каждая молекула запаха имеет «отпечаток пальца» – специфическую характеристику активности. Кроме того, клубочки, активируемые конкретными стимулами, по-видимому, собраны в кластеры. Однако если смотреть внимательнее, выясняется, что соседние клубочки схожи в своих реакциях не больше, чем отдаленные, особенно при исследовании разных запахов, а не нескольких похожих классов[317]. В частности Джон Карлсон из Йельского университета показал на мухах, насколько разнообразны локальные ответы гломерулярных кластеров[318]. К тому же активация гломерулярных кластеров похожими запахами не «непрерывная», она происходит с «пробелами»[319].

Не исключено, что правильный ответ – одотопия. Эта версия кажется наиболее обоснованной. Если отдельные молекулы запахов имеют «отпечатки пальцев» в луковице и существует хоть какое-то перекрывание в ответах кластеров клубочков на похожие запахи, тогда пространственная активность луковицы может быть организована не по принципу соседства, но представлять собой грубую, распределенную, но все же дискретную карту характерного образа. Этого мнения придерживается Шеферд, а также Венкатеш Мерти из Гарварда[320]. Такая карта была бы функциональной. Однако данная модель имеет одно критическое условие. Чтобы такую картину считать функциональной картой, она должна быть стереотипной, то есть общей для представителей вида или даже представителей разных видов.

Стереотип функциональности подразумевает, что картина может быть случайной (не имеет значения, какой сигнал где отражается), но должна быть воспроизводимой (определенный сигнал точно или почти точно проявляется в этой точке во всех случаях). Иными словами, функциональность встроена в систему, она представляет инвариантное пространственное отражение вычислительных принципов, включая латеральное ингибирование. Так как же луковица узнает, где разместить клубочки? В конечном счете, стереотипная организация должна быть генетически предопределенной.

Органические системы часто имеют структуры, которые не обязательно связаны с конкретной функцией, но просто отражают ход развития. Может быть, это справедливо и для обонятельной луковицы? Тем или иным образом сигнальная активность клубочков связана с молекулярными особенностями одорантов, и луковица представляет собой нечто вроде рецептивного поля обонятельной системы. Несмотря на это, луковица в первую очередь отражает активацию рецепторов, а не химию стимулов. Томас Хеттингер соглашается: «Это не карта запахов. Это карта рецепторов». Очень важное уточнение, означающее, что строение луковицы определяется генетикой рецепторов. Дальнейший анализ того, как развивались исследования карты луковицы, сосредоточен на ее генетической и эволюционной базе, и он внесет ясность в проблемы причины и следствия, задавшись вопросом: предопределено ли строение луковицы?

Отпечаток каждого запаха

Целенаправленный научный интерес к обонятельной луковице возник тогда, когда в центре развития нейробиологии оказалось топографическое моделирование. Об этом рассказывает Гордон Шеферд, занимающийся изучением луковицы с начала 1970-х годов. Он хотел показать, что обонятельная система не так уж сильно отличается от других сенсорных систем, что она не такая особенная, как считали многие ученые. Шеферд вспоминает: «Наконец мы обнаружили картины, соответствующие запахам! Те самые основные свойства, что были найдены в соматосенсорной системе, в зрительной системе, в моторной системе и так далее. Я думаю, это должно быть справедливо и для обоняния».

Фаерштейн вспоминает время, когда был постдокторантом в лаборатории Шеферда: «Гордон был упорным сторонником идеи, что обонятельная система – часть основного направления исследований в нейробиологии. Что ее механизмы – как бы она ни работала и как бы мы об этом ни узнали – соответствуют тому, что нам уже известно о нейробиологии, и совместимо с существующими моделями. В то время такой взгляд не был общепринятым. Многие подозревали, что обоняние – уникальная, в каком-то смысле странная система, и что ее правила отличаются от правил остальных частей нервной системы, особенно других сенсорных систем, и именно поэтому так трудно ее изучать, отслеживать и экспериментировать с ней. Обоняние отличалось в том или ином смысле. Но Гордон считал иначе. Он чувствовал, что все, что мы узнаем о происходящем на периферии, в центре или в любом другом участке обонятельной системы, будет иметь смысл в общем контексте мозга и нейробиологии в целом».

«Преодолеть это было очень сложно, – добавляет Шеферд. – Специалисты по обонянию, поддерживаемые и побуждаемые специалистами по ароматам, настаивали, что это особая область. Я помню, как один человек из IFF [International Fragrances and Flavors] заявил, что мы никогда не сможем достоверно определить физиологический ответ на какие-либо специфические запахи, поскольку они всегда загрязнены. Будучи химиками-органиками, они очень хорошо представляли себе, насколько сложно получить лишенный запаха воздух, в который потом разные запахи можно включать. Если запах связан с присутствием минимального количества какого-то вещества (что справедливо всегда), как же можно сказать, что вы работаете с веществом A, если это также может быть B, C, D или E? Поэтому очень трудно поверить, что в области обоняния удастся проводить стандартные физиологические исследования, как с другими системами».

Эти проблемы не мешали попыткам Шеферда, и оказалось, что он был прав. Он нашел в луковице несколько совершенно четких и разделенных в пространстве картин активации[321].

Однако по-прежнему не хватало важнейшего звена. Чтобы подтвердить, что активность луковицы представляла собой карту стимулов, ученым нужны были рецепторы – зона контакта с входным сигналом, определявшая взаимодействие стимулов с обонятельной системой. Фаерштейн поясняет: «Очень небольшая часть [нейробиологических исследований] была направлена на изучение запаха. Ученых интересовала схема обонятельной луковицы. Что с чем связано и каким образом? В каком направлении движутся сигналы? На самом деле большой объем работы можно сделать без использования запахов». Для сенсорной физиологии это не такая уж необычная стратегия. «Огромное количество данных о передаче сигналов в сетчатке получено без использования света», – подчеркивает Фаерштейн.

Когда стало ясно, как сигнал структурирован на уровне рецепторов, все ожидали, что это должно находить отражение в разных отделах мозга. С открытием Бак и Акселя ученые получили недостающий фрагмент паззла.

Следующий этап казался очевидным: связать химию стимулов с картиной активации луковицы через конкретные рецепторы. Сообщество ученых, занимавшихся обонянием, начало лихорадочно искать код. Однако кодирование на уровне рецепторов оказалось более серьезной проблемой, чем ожидалось. Представьте, что у вас есть несколько сотен или даже тысяча типов рецепторов. Рецепторы активируются комбинаторно и распределены в эпителии случайным образом. «Как мозг может узнать, какие клетки активируются конкретным запахом?» – подытоживает Аксель.

Ответ был получен в 1996 году. Бывший постдокторант Акселя в Колумбийском университете, а теперь директор лаборатории во Франкфурте Питер Момбертс обнаружил, что обонятельная система обрабатывает случайные сигналы от рецепторов весьма хитрым способом[322]. Казалось, что каждая сенсорная клетка имеет рецептор только одного типа, но, согласно Момбертсу, сомнения в универсальности правила «один рецептор – один нейрон» можно было отбросить[323]. Аксель объясняет: «Выяснилось, что [у мыши] тысяча рецепторов и все клетки с одним и тем же рецептором, вне зависимости от их расположения в носу, отправляют сигнал через череп на первую станцию в мозге, где все они сливаются в определенной точке – в клубочках».

Это просто мечта инженера. Принцип «один рецептор – один нейрон» сокращал уровень сложности на последующих этапах по сравнению с чрезвычайно сложной организацией на уровне рецепторов. Поскольку обонятельная система отличается невероятно запутанным устройством, Грир отмечает: «Если вы пытаетесь представить путь от обонятельного эпителия к обонятельной луковице, это совершенно очевидно самый хаотический путь во всей нервной системе. У вас примерно 1,2 или 1,3 миллиона клеток на каждой стороне носа, и каждая клетка происходит из какой-то определенной точки внутри обонятельного эпителия. Затем ее аксон должен отправиться [в обонятельную луковицу], где он сольется с другими аксонами клеток с рецептором того же запаха».

Если бы аксоны не сливались друг с другом в соответствии с типом рецепторов, невозможно было бы представить, как обонятельная система различала бы входные сигналы.

Внезапно перед учеными открылись новые экспериментальные возможности. Теперь можно было следить за сигналами от рецепторных клеток в эпителии напрямую до того места в луковице, где происходит их слияние.

Аксель вспоминает: «Мы брали зонд для конкретного рецептора и предполагали, что нам удастся проанализировать путь сенсорного нейрона из эпителия в мозг по наличию РНК рецепторов в мозге. Мы считали, что, возможно, какая-то РНК присутствует в клеточных отростках, в аксонах. И поэтому мы сделали то, что называется гибридизацией in situ [использование нити комплементарного генетического материала в качестве зонда для определения локализации специфических тканей] и просто искали РНК рецепторов в мозге. И мы действительно увидели точки. Все рецепторы узнавали разные локусы в луковице. Потом Момбертс показал экспериментальным путем, что эти локусы соответствовали клубочкам. В то время это был сумасшедший эксперимент. Но он сработал!»

Эксперимент Момбертса имел колоссальное значение: для каждого запаха должна существовать своя картина активации. Фиксированный код клубочков соответствует разным запахам. Например, цитраль активирует специфический набор клубочков {G1; G5; G6; G204}, а мускус кетон активирует набор {G5; G6; G30; G50; G400; G420}. Если вы нюхаете эти вещества, а мы в это время проводим функциональную магнитно-резонансную томографию вашего мозга и регистрируем вашу реакцию на два вещества, мы увидим в двух случаях заметно различающиеся картины активации нейронов.

«Так родилась идея, что клубочки представляют собой функциональные единицы, – заключает Фаерштейн. – Имеется в виду, что каждый клубочек занимается определенным набором запахов и упорядочивает свойства запахов, создавая некую пространственную организацию».

Внимание в исследованиях обоняния начало смещаться от поведения рецепторов к обработке сигнала в центральной нервной системе. «Наконец-то! – комментировал Шеферд. – Теперь у нас достаточно работающих лабораторий, так что мы можем сравнивать результаты и конкурировать».

И начались поиски нейронного кода в основе хемотопической карты. Идея хемотопии распространилась повсеместно. Фаерштейн вспоминает: «Это привело к взрывному росту статей об обонятельной луковице и о пространственной картине активации как отражении химических свойств. На основании данного открытия некоторые решили, что это имеет смысл, поскольку теперь можно вообразить некую карту – отражение свойств запаха (то есть рецепторов, с которыми связывается запах) на структуре в центральной нервной системе. Несколько человек, в частности Кенсаку Мори в Японии, буквально ухватились за эту идею»[324].

Лесли Воссхолл отвечает: «Представление об обонятельных клубочках было очень важным. Некоторые из тех, кто проводил ранние исследования на насекомых, отмечали, что в этом был анатомический организационный принцип. К примеру, мотылек. У самцов мотыльков есть гигантское количество периферийных сенсорных клеток, необходимых для того, чтобы учуять самку: весь этот набор клеток в антеннах самцов нужен только для обнаружения самок. Если вы проследите за этими клетками до мозга, вы обнаружите огромное число клубочков, необходимых для обнаружения самки. Ученые наблюдали за обонятельной активностью в луковице, где возникают разные картины возбуждения клубочков в зависимости от интенсивности запаха, его концентрации или примесей».

Специфические картины активации луковицы были обнаружены последовательно для разных одорантов[325]. Это указывало на существование «разных картин для разных запахов», как выразился Шеферд. «Это была невероятно важная серия открытий, сделанных во многих лабораториях, – добавляет Воссхолл. – Важным было то, что на двумерной картине были также закодированы концентрация и каким-то непонятным образом свойства запаха. В некоторых ранних и упрощенных работах говорилось, что с увеличением длины углеродной цепи вы получаете более упорядоченную картину активности во всем наборе клубочков и в обонятельной луковице. Вероятно, это не так. Совершенно точно, что у насекомых нет очевидного организационного принципа, и мне все больше кажется, что [это относится] и к обонятельной луковице позвоночных. Система работает не так. Она гораздо более абстрактна».

Исследования луковицы затормозились. Концепция хемотопии осталась неопределенной. Фаерштейн резюмирует: «Пока мы искали пространственную карту, основанную на химии – типа альдегиды здесь, кетоны тут, а эфиры там, – мы не могли найти такую [карту]».

Поиски карты затмили более глубокий вопрос: что насчет объяснения? О функции луковицы можно сказать лишь одно: активность клубочков создает картины. И, как любые картины, по мнению Шеферда, они не содержат внутренней логики: «Распознавание образов – это фактически самостоятельная дисциплина!» Так или иначе, для карты луковицы нужно было создать модифицированную, основанную на рецепторах модель. Однако рецепторы следовали собственной логике.

Стереотипное отражение

Если чувствительные нейроны обонятельной системы действуют как проводники, переносящие сигналы от рецепторов к мозгу, легче понять разнообразие генов рецепторов. А что же приводит эти проводники в движение? Главный инженерный принцип строения луковицы в том, что сенсорные нейроны с одними и теми же генами рецепторов сливаются в клубочках. Возможно, это уникальное свойство обоняния. Грир подчеркивает: «Каждая такая клетка следует совершенно индивидуальным путем в зависимости от своего начала в эпителии. Это не так для всех других сенсорных систем в мозге». Фаерштейн подтверждает: «Я не слышал, чтобы это повторялось где-то еще, в какой-то другой системе, где такого типа рецепторы, сопряженные с G-белком, действительно определяли бы направление продвижения аксонов, по крайней мере, напрямую».

Он объясняет: «То, что рецепторы имеют отношение к тому, как аксоны [чувствительных нейронов] попадают в луковицу – одно из важнейших открытий, поскольку никогда раньше не было показано, что рецепторы, сопряженные с G-белком, связаны с направлением или локализацией аксонов. А теперь мы знаем, что эти рецепторы делают две вещи! Прежде всего, это удивительный класс рецепторов. Это гигантское семейство экспрессируется в эпителии. Кроме того, то, на что реагирует рецептор, в какой-то степени определяет, куда идет аксон нейрона в луковице, что я на сегодняшний день нахожу любопытным». Реальное значение этого открытия еще предстоит установить.

Тем временем идея карты подкреплялась экспериментальными исследованиями. Основная гипотеза гласила, что расположение клубочков в луковице предопределено генетически. Фиксированная генетическая карта организации клубочков считалась ключом к организации архитектуры луковицы, поскольку определяла ее строение. Основы такого предположения достаточно логичны: топографическое представление в других сенсорных системах, таких как зрение и слух, генетически предопределено. Цзоу отмечает: «В зрительной системе картина такова. Стимуляция отображается в топографическом представлении». Постнатальный опыт может дополнительно уточнять эти сенсорные карты. Но их основная организация определяется генетически, что обеспечивает стереотипность. Как говорит Аксель, от организма к организму их топография не меняется.

Сомнения относительно стереотипности карты обонятельной луковицы появились в связи с новыми данными о генетике рецепторов. Откуда все обонятельные нейроны узнают, куда идти? Кроме того, как эти клетки находят своих генетических двойников с такими же рецепторами? «Возник вопрос, как рецепторы это делают», – говорит Фаерштейн. Мы все еще этого не знаем. Вообще говоря, это незнание не связано с тем, что у нас нет общей теории слияния аксонов. Но процесс слияния аксонов обонятельной системы, по-видимому, происходит по другому механизму. «Хорошо, это рецептор запаха, – комментирует Грир. – Очевидно, что рецепторы запахов соответствуют друг другу. Но никто еще не смог показать, что рецепторы запаха отвечают за слияние аксонов и как они опосредуют этот процесс».

Как обычно нейроны находят свои мишени? Общее объяснение включает в себя продвижение аксона при развитии нервной клетки. В процессе роста аксоны находят свое место по цепочке химических градиентов. Такое перемещение аксонов стереотипно, то есть генетически предопределенно. Преимущество этого механизма в том, что он в значительной степени обеспечивает воспроизводимую «схему сборки» (шаблон с определенными морфологическими характеристиками тела). Фаерштейн приводит в качестве примера двигательную систему, в которой нервы, отходящие от спинного мозга, соединяются с определенными мышечными тканями. Откуда двигательные нейроны знают, к каким мышцам идти? Они растут в соответствии с химическим градиентом, который их привлекает, а после слияния в пучки направляет в специфические участки тела. «Смысл в том, что есть градиент какого-то химического вещества, от низкой концентрации до высокой, и аксоны имеют рецептор, который чувствует этот химический аттрактант».

Логично предположить, что аксоны обонятельных нейронов делают то же самое, протягиваясь по предопределенному химическому следу до своих клубочков. Соответственно, каждый рецепторный нейрон должен расти по заранее обозначенной траектории от эпителия к луковице. Скажем, нейрон с рецептором R1 направляется к конкретному месту в луковице – к клубочку {GR1}. Другой нейрон с рецептором R2 направляется к клубочку {GR2} и так далее. Однако серия экспериментов поставила под сомнение справедливость такой гипотезы. Несколько нестыковок, и идея об общей предопределенности строения луковицы распалась.

Первый удар по идее о стереотипном строении луковицы был нанесен в ходе еще одного эксперимента Момбертса[326]. Казалось бы, это был рутинный эксперимент, но результаты удивили всех. «Мне повезло, и я был там, когда они это делали, – рассказывает Фаерштейн. – Большая часть работы, которую мы здесь осуществили, была связана со схемой проведения сигнала в целом. Не со схемой проведения сигнала в луковице, а с тем, как весь эпителий подключен к луковице. Почему все аксоны с одинаковым рецептором собираются в пучок в клубочке? Считалось общепринятым, что так или иначе эти рецепторы находили что-то, что помогало их аксонам прокладывать путь к конкретным клубочкам». Но, как подчеркивает Фаерштейн, «Питер показал, что это, по-видимому, не так».

Эксперимент Момбертса следовал простому плану: выбрать один потенциально важный фактор, выделить его и изменить. А затем посмотреть на результат.

В лаборатории Момбертса генно-инженерным способом произвели три типа мышей с зелеными флуоресцентными белками (GFP, Green fluorescent protein), присоединенными к специфическим генам рецепторов. Флуоресцентные белки позволяют ученым наблюдать за ходом развития аксона. У одной популяции мышей белок GFP был соединен с геном рецептора I7, у другой – с геном M20, а у третьей ген M20 был заменен на ген I7 и связан с GFP. Куда направятся модифицированные нейроны, в которых ген M20 заменен геном I7?

«Следовало предположить, что они направятся к клубочку I7, – комментирует Фаерштейн. – Поскольку мы знаем, что идея состояла в том, чтобы доказать ключевую роль рецептора в подведении аксона к правильному клубочку. А единственное, что изменили – это рецептор». Вопреки ожиданиям, нейроны не пришли к клубочку I7. В таком случае они направились к клубочку M20? «Тоже нет! – восклицает Фаерштейн. – Выяснилось, что [модифицированные нейроны] формируют клубочки тут, или здесь, или там. – Фаерштейн случайным образом расставляет точки на рисунке луковицы. – Вообще непонятно, какие тут закономерности!»

Это был первый удар по идее о стереотипном строении луковицы. Вскоре последовал второй. Что произойдет, если заменить ген рецептора запаха геном, кодирующим необонятельный рецептор, например, геном рецептора из того же белкового семейства (генетически родственного)? «Это был последний гвоздь в крышку гроба, – комментирует Фаерштейн. – Результат, о котором почти не говорят, был получен Полом Фейнштейном»[327]. Фейнштейн, бывший постдокторант из лаборатории Момбертса, заменил ген рецептора запаха I7 геном β2-адренэргического рецептора. К семейству β2-адренэргических рецепторов относятся рецепторы адреналина; они тоже принадлежат к надсемейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs), и поэтому достаточно похожи на обонятельные рецепторы по топологии и структуре. Все GPCRs имеют семь трансмембранных спиралей и обладают заметным сходством аминокислотных последовательностей. Однако их функции совсем разные. Адреналиновые рецепторы регулируют активность симпатической нервной системы. Обонятельные рецепторы связывают молекулы запаха.

Модифицированным нейронам Фейнштейна идти было некуда. Как поясняет Фаерштейн, у них «больше не было рецептора запаха, который привел бы их куда-нибудь. На свете не могло существовать мыши с β2-адренэргическим клубочком, поджидающим свои аксоны, не говоря уже об аксонах клеток с β2-адренэргическим рецептором». И вновь все были удивлены. Все нейроны с геном рецептора адреналина соединились в одном клубочке луковицы, как все другие нейроны с генами рецепторов запаха. «Это окончательно показывает, что карты не существует, – уточняет Фаерштейн. – На поверхности луковицы нет предопределенной карты, определяющей, куда должны прийти эти аксоны. Если и есть какая-то карта, она индуцированная. Она вызвана аксонами самих клеток».

Второй удар. В этих двух экспериментах с заменой генов рецепторов одорантов другими генами обонятельных рецепторов или других GPCRs были созданы аксоны, для которых не нашлось места на генетически предопределенной карте. Что происходит, если вы полностью удаляете гены рецепторов у каких-то нейронов? Их аксоны должны направляться куда-то в луковицу, но без проводника. «Они не образуют клубочки, – отвечает Фаерштейн. – Они просто куда-то идут». Не говорит ли это о наличии генетически предопределенной карты связей? «Первая интерпретация была такой: поглядите, [чувствительные нейроны] не могут дойти до цели, поскольку у них больше нет рецептора. Они просто идут куда-то. Они не знают, что им делать». Но вскоре эта интерпретация отпала. Выяснилось, что нельзя отключить ген обонятельного рецептора. Когда вы отключаете один, нейрон быстро начинает экспрессировать вместо него ген другого рецептора (чувствительные нейроны имеют набор генов для замены, и из этого набора выбор осуществляется случайным образом).

«Интересно, – продолжает Фаерштейн, – что эти аксоны не выходят за пределы луковицы. Они остаются в луковице». Таким образом, если клетка не экспрессирует ген одного рецептора, она подбирает какой-то другой. И это не полностью случайный выбор. Клетка обзаводится не любым рецептором из всего диапазона (из тысячи рецепторов у мыши), но одним из ограниченного круга. «Это некая группа рецепторов, которые каким-то образом контролируются совместно. И следовательно, все [нейроны] идут в одну и ту же точку в луковице. Но в какое конкретно место, им безразлично. Этот эксперимент нужно было провести несколько лет назад, отключая разные рецепторы и наблюдая, сколько в луковице таких участков». Казалось, что в экспериментах с отключением генов аксоны движутся хаотично, но на самом деле нейроны управляются несколькими генами.

Третий удар.

Эта серия экспериментов с заменой генов препятствовала принятию идеи о стереотипной организации луковицы. Не существует заранее предустановленного расположения точек, к которым должны прийти аксоны чувствительных нейронов. «Проблема с идеей карты в том, что никакой заранее предопределенной карты на поверхности луковицы нет, – подтверждает Фаерштейн. – И это особенность обонятельной системы, насколько мы можем утверждать на настоящий момент. Это не так для всех остальных сенсорных систем». Очевидно, что важнейшую роль играет генетика рецепторов. Менее очевидно, какой механизм движет развитием аксонов. «Является ли образование [карты] результатом того, как располагаются аксоны? Я имею в виду, что какая-то карта образуется, но функциональна ли она? – Фаерштейн выдерживает паузу. – Я этого не знаю».

Карта как артефакт развития

«Может быть, это просто карта развития, – предполагает Фаерштейн. – Это лишь простейший путь для развития [обонятельной луковицы]». Аксоны притягиваются друг к другу под влиянием рецепторов. Эта гипотеза, как замечает Фаерштейн, «впервые возникла в лаборатории Питера Момбертса, и мы тоже ею воспользовались. Она в какой-то степени стала результатом общения между нашими лабораториями, а также взаимодействия с Чарли Гриром». Итоговая гипотеза такова, что «на поверхности обонятельной луковицы нет заранее сформированных клубочков. Но клетки притягиваются друг к другу. Они образуют пучки и затем движутся дальше, а когда достигают свободного участка в луковице, закрепляются там и начинают формировать клубочек. А затем вокруг них формируется все остальное, превращаясь в клубочки, все другие клетки, которые участвуют в создании клубочков».

Фаерштейн и Цзоу проверили эту гипотезу[328]. Наблюдая за развитием мозга совсем молодых мышей, они увидели разные стадии созревания луковицы. Эти стадии развития не соответствовали модели стереотипного расположения клубочков. Скорее выяснилось, что пространственное расположение клубочков основано на сенсорном опыте, полученном в процессе созревания.

Следует обратить особое внимание на два открытия, сделанные в ходе этих исследований. Во-первых, у молодых животных клубочки не всегда гомогенны. На ранних этапах развития формируются гетерогенные кластеры, то есть эти ранние клубочки состоят из нейронов с разными рецепторами. Во-вторых, аксоны не просто вместе удлиняются, останавливаются и сливаются в клубочки, как предполагалось ранее. Сначала аксоны распределяются по разным местам. А затем клубочки выравниваются, и их активность уточняется.

Как объясняет Цзоу, недостаток ранних исследований луковицы в том, что в них чаще наблюдали за взрослыми животными: «Предыдущая работа показала, что на самых ранних стадиях развития очень мало клубочков, может быть, всего несколько сотен. Позднее это количество увеличивается примерно до двух тысяч с каждой стороны луковицы. То есть происходит постоянное добавление клубочков». Однако сам Цзоу видит иначе: «По моему мнению, образование клубочков идет непрерывно. Не все задано раз и навсегда. Скорее, это динамический процесс. Не все зафиксировано с самого начала». Цзоу отмечает, что, вопреки устоявшемуся мнению, у очень молодых животных может быть больше, а не меньше клубочков, чем у более взрослых. «Я был сильно удивлен. В то время люди думали, что если вы видите два клубочка [вместо одного], это просто помехи. Так что поначалу я счел, что… что-то получилось неправильно. Окрашивание прошло неверно. Но потом я наблюдал это вновь и вновь. И я подумал, что так оно и есть».

Нет химического притяжения. Нет гомогенности в формировании клубочков. Несколько клубочков в одном месте. Все эти наблюдения вкупе подрывали идею о заранее заданной сенсорной топографии. Однако эти удивительные данные из области развития не вызвали общего интереса у ученых, занимающихся обонянием, поскольку они переключились на создание компьютерных моделей кодирования запахов. Как следствие, неадекватные представления о стереотипном строении луковицы и о хемотопии в значительной степени продолжают влиять на современные исследования луковицы.

Отсутствие интереса к механизмам развития можно объяснить двумя причинами. Во-первых, большинство исследований луковицы проводятся на мозге взрослых мышей. Безусловно, строение зрелой луковицы выглядит стереотипно; корреляция между структурой и функцией здесь очевидна. Зрелая луковица выглядит так, как если бы аксоны двигались напрямую к генетически предопределенным точкам. Как если бы, по словам Фаерштейна, «существовало химическое вещество, привлекающее аксоны». Во-вторых, Грир обращает внимание на пренебрежительное отношение к исследованиям в сфере биологии развития в целом: «Исторически так сложилось, что немногие ученые следили за развитием [системы]». В результате предположение о стереотипной организации луковицы редко ставится под сомнение. Цзоу соглашается: «Во многих случаях люди, которые выполняли большую часть генетических манипуляций, не имели нейробиологического образования. И поэтому их не очень интересовали вопросы развития». Одной из серьезнейших проблем исследований обоняния всегда была междисциплинарная раздробленность.

Чтобы понимать функционирование луковицы, чрезвычайно важно учитывать процесс развития, поскольку он определяет активность нейронов. Вопрос о том, какие элементы сенсорной системы заранее заданы, а какие развиваются по мере накопления опыта, занимал важное место и при изучении зрительной системы. В системе обоняния формирование клубочков полностью зависит от генетики рецепторов и механизмов развития. Цзоу подтверждает: «Только если вы вникнете в детали, вы поймете, что обонятельная система довольно сильно отличается от остальных».

Понятно, что развитие луковицы происходит с вариациями. Но окончательная структура, по-видимому, характеризуется постоянным расположением клубочков и воспроизводимой картиной активации запахами. Нет ли в луковице устойчивых картин, неких «отпечатков пальцев» для каждой молекулы одоранта даже у разных представителей вида?

Тщательный анализ показывает, что ни локализация, ни функциональная активность в зрелой луковице изначально не стереотипные. «Если посмотреть внимательно, – рассказывает Фаерштейн, – клубочки не всегда оказываются на одном и том же месте. Они могут быть сдвинуты на пять или восемь диаметров, но находятся в одной и той же части луковицы»[329]. Это противоречит данным обзорной литературы, где луковицу обычно называют «стереотипной», «константной», «топографически заданной», «топографически определенной», «топографически стереотипной», «расположенной стандартным образом», «имеющей точный стереотип», «инвариантной», «пространственно инвариантной», «заданной» или «почти неизменной»[330].

В 2015 году Момбертс вновь затронул эту тему, спросив: «Насколько точно это точное расположение?»[331]. Удивительно, но этот вопрос не вызвал большого интереса. В лаборатории Момбертса было обнаружено, что ответ определяется клубочками. Вариабельность расположения клубочков оказалась значительнее, чем было принято считать. Кроме того, проверив шесть типов клубочков, исследователи установили, что вариации неравномерны. Расположение одних клубочков изменчиво в большей степени, чем других. Один из способов понять это – посмотреть, связаны ли как-то изменения в расположении клубочков с общим диапазоном настройки разных рецепторов, экспрессируемых в сенсорных нейронах. Изучение генетики рецепторов уничтожает идею о существовании общего пространственного плана луковицы.

Грир быстро обнаружил еще одну проблему в объяснении кодирования запахов стандартным путем – через гетерогенную активность луковицы. Электрофизиологические исследования зрелой луковицы выявляют заметную вариабельность активации локальных сетей (о которых мы подробно говорили выше). «Если вы посмотрите на любой конкретный клубочек, в нем находится примерно от восьми до двенадцати митральных клеток. И они активируются по-разному. Вы действуете запахом и регистрируете активность двух митральных клеток из одного клубочка. Одна может реагировать, а другая нет. Или временная картина ответа может быть разной».

Электрофизиологические исследования сетей выявляют в луковице значительно более неоднородную картину активности, чем окрашивание и нейровизуализация клубочков. Среди факторов, серьезно влияющих на вариабельность реакции, особенно выделяются два.

Во-первых, активность луковицы у бодрствующих животных и у животных под наркозом разная. Кроме очевидного различия в том, как животные нюхают, под наркозом отсутствует афферентная[332] обратная связь и нисходящие факторы, такие как внимание, мотивация и предшествующий опыт. Следовательно, такие исследования основаны на искусственных моделях линейной сенсорной обработки сигналов от низших сенсорных областей к высшим. Но нельзя пренебрегать глубоким влиянием предыдущего опыта на активность клубочков луковицы. Натали Буонвизо с коллегами показала, что клетки крысы, долгое время (20 минут) находящейся под воздействием запаха, демонстрируют более низкую активность через 24 часа[333]. Кроме того, активность нетренированных крыс менялась ежедневно, как и мотивирующие факторы[334]. Иными словами, активность нейронов определяется опытом, тренировкой, мотивацией и другими факторами, влияющими на принятие решений (о последствиях этого для восприятия мы поговорим в главе 9).

Второй фактор касается расхождения результатов для одной клетки и для популяций клеток. Регистрация активности отдельных клеток, часто у животных под наркозом, не может быть достаточным основанием для функциональной характеристики кодирования запаха. Популяционное кодирование может играть более важную роль (см. глава 8). Итог экскурса в электрофизиологию таков, что мы еще далеки от понимания луковицы, особенно от понимания ее топографической активности.

Кроме того, похоже, относительная стабильность и инвариантность организации и активации клубочков не встречаются у генетически разнообразных организмов и видов (или представителей одного вида), чей мозг сформировался под влиянием широкого опыта, в отличие от мозга строго контролируемых лабораторных мышей. Идея о карте луковицы, возможно, подкрепляется экспериментальными артефактами, связанными с методологией экспериментов или лабораторными стандартами.

В частности, наше понимание обонятельной системы строится на изучении генетически гомогенных модельных организмов, таких как мыши, крысы и дрозофилы[335]. А что будет, если изучить генетически различающиеся организмы, например, людей? Кристиан Марго ссылается на работу Чарли Грира[336], которая «показала, что о людях нам известно мало, поскольку часть [данных] получена при изучении трупов пожилых людей, передавших свое тело для исследований. Чарли Грир анализировал гломерулярный [материал] молодых людей и обнаружил около 5500 клубочков». Это было неожиданно. Прежние оценки строились на соотношении 2:1 (700 клубочков и 350 генов рецепторов). По данным Грира это соотношение составляет примерно 16:1! «Очевидно, это что-то совсем другое. Никто этого объяснить не может», хотя такое большое количество клубочков может говорить о надежности представления обонятельного сигнала.

Таким образом, периферия луковицы и картина ее активности менее устойчивы и инвариантны, чем нам казалось. Готового заранее плана нет, и луковица отображает активность рецепторов в соответствии с инструкциями, полученными в ходе развития. Фаерштейн делает вывод: «Практически все, что вы делаете с животным с точки зрения генетики и что влияет на экспрессию рецепторов, меняет организацию клубочков луковицы. Мне кажется, что гломерулярная организация луковицы чрезвычайно пластична, моделируема и неустойчива. Она не стереотипна. Она не предопределена. Она изменчива».

Отображение стимулов без карты

Проведение сигнала в луковице не предопределено, и генетика рецепторов играет важнейшую роль в образовании клубочков. То, что кажется неупорядоченным, не обязательно нефункционально. Обонятельная луковица не имеет карты запахов, понимаемой как отражение хемотопической или ринотопической организации или как некое стандартное распределение по определенным участкам, основанное на химии стимулов. В луковице не закодирована топология стимулов. И главная загадка остается без ответа: какую информацию передает эта частично структурированная и сформированная в ходе развития организация луковицы?

«Проблема в том, что мы не знаем точно, что нужно искать, – комментирует Рид. – У нас нет подходящей модели для ответа на эти вопросы. На мой взгляд, интересно, что в какой-то степени это вопросы или проблемы, которых нет в зрительной и слуховой системах. Они не связаны с такого рода проблемами. Чтобы выйти из этой ситуации, либо придется сказать, что в луковице существует некая «одотопическая» карта, что означает попытку свести систему к двум известным моделям, либо признаться, что здесь реализуется совершенно иной процесс».

По мнению Шеферда, решение в вычислительных механизмах, лежащих в основе восприятия запахов. Возможно, эти процессы не отличаются в корне от того, что происходит в зрительной системе, но используют наименее изученный механизм визуального кодирования, который отвечает за распознавание лиц. «Я думаю, что новая технология распознавания лиц имеет большое значение для точной количественной характеристики нестандартной схемы активации обонятельных клубочков – это еще один пример того, какие преимущества обоняние может получить от основных направлений науки и технологии».

Лица, как и запахи, не описываются простыми признаками, такими как форма или группы форм (иначе все мы были бы художниками). В лицах завораживает то, что мы выделяем их по индивидуальным признакам на фоне общей картины. Идея Шеферда интересна в связи с важнейшей особенностью распознавания запахов – ее индивидуальным подходом, особенно с учетом контекста. Шеферд убежден, что аналогия с распознаванием лиц поможет понять активность луковицы: «Такое предположение станет реальным с новой технологией распознавания лиц или чего-то подобного, когда они будут применены для распознавания картины активности клубочков». Возможно, вычислительная аналогия Шеферда окажется верной и без сохранения концепции топографии.

Непредсказуемость действия стимулов, в том числе нестандартность химической топологии при распознавании запахов, не означает, что не существует закономерностей, которые можно моделировать. Это просто указывает на необходимость другого подхода к созданию модели. Нам нужно заново обдумать, что именно система вычисляет и отображает.

Особенность функционирования обонятельной системы «в природе» – непредсказуемость химических стимулов из окружающей среды и их взаимодействия с сенсорной системой. Томас Клеланд из департамента психологии в Корнеллском университете предположил, что луковица отображает не классы химических веществ, а химическую среду. Точнее, луковица отслеживает статистику изменений запахов в окружающей среде[337]. Возможно, активность луковицы соответствует статистике химического окружения.

Такая функциональная топология требует достаточной гибкости и пластичности сигнальной системы, а не анатомической близости (как в зрении). В частности, необходима оптимальная настройка для передачи изменчивости и частоты входных сигналов. Эта настройка основана на двух важнейших элементах обонятельной системы – генетике рецепторов и ингибировании.

Генетика рецепторов играет критическую роль в статистическом отслеживании изменений химического окружения за счет настройки диапазона рецепторов (вспомните, что она определяет сродство лигандов к рецепторам). Это может объяснять перекрывание картин активности при действии специфических одорантов. Пространственная организация луковицы отражает не топологию стимулов, а приблизительный диапазон настройки.

Ингибирование в микросетях луковицы в этом контексте служит для усиления контраста и разделения сходных стимулов. Локальная обработка обонятельных сигналов в микросетях вставочных нейронов не просто координирует и уточняет пространственные картины. Важно, что она индуцирует формирование временной картины, определяющей специфические обонятельные сигналы, и способствует их дальнейшему разделению, особенно по сравнению с запахами со схожими химическими признаками или с другими стимулами с перекрывающейся картиной активации. Поэтому в главе 8 мы поговорим о том, как принципы временного кодирования определяют распознавание и классификацию запахов.

На основании системного теоретического подхода мы теперь можем заключить, что отображение запахов на уровне нейронов определяется не химической топологией, а классами химических соединений из окружающего пространства. Терри Экри едко заметил: «Мозг – не немецкий химик!» (на что Шеферд мгновенно отреагировал: «Но мозг немецкого химика – да»). Картина на уровне нейронов отображает взаимодействие организма с внешним окружением. И указывает на необходимость моделирования этого окружения в тех условиях, в которых находится система. В результате, учитывая центральную роль рецепторов в функционировании системы, о которой мы говорили в этой главе, далее нам следует обратиться к вопросам обработки сигнала в центральной нервной системе: как мозг учится отслеживать и запоминать внешние закономерности в поведении стимулов?

Глава 8. Измеряем запахи не по карте

Подумайте о том, что наш мозг постоянно находится в состоянии разногласий с самим собой. Его «желания» и «нужды», по-видимому, не совпадают. Как идущая по следу собака, он все время находится в поиске информации. Отыскивая в окружающей среде нужные или новые фрагменты информации, мозг постоянно подстраивается под изменчивое состояние тела и психики (мир кажется другим, когда мы голодны или угрюмы). В то же время мозг ищет стабильности. Он хочет знать, что происходит, точнее, какой порядок вещей определяет весь этот информационный хаос внешнего мира, с которым он постоянно сталкивается. Мозг справляется со множеством данных, делая предсказания на основе известных ему законов. В этом процессе нисходящие сигналы (основанные на предыдущем опыте) являются важнейшим условием для заучивания и запоминания специфических сенсорных признаков и их распределения по перцептивным категориям[338].

Джон МакГанн уверен, что мозг работает именно так. «Мозг делает разумные выводы о том, что происходит. Он только быстро поглядывает на входные сигналы, чтобы проверить, все ли так. Я думаю, нет смысла искать независимый, точный и исключительно восходящий сигнал. Скорее, модель такова: “Есть догадка. Она соответствует ситуации? Если нет, нужно подкорректировать”».

Представление о мозге как о предсказательном устройстве, не ново. Герман фон Гельмгольц в XIX веке выдвигал похожую идею. Эрик фон Хольст и Хорст Миттельштадт одновременно с Роджером Сперри описывали предсказательную функцию «эфферентной копии» (или сопутствующих разрядов) в зрительной системе в 1950 году[339].

Эту идею можно проиллюстрировать простым экспериментом. Выставьте перед собой указательный палец и посмотрите на него. Затем начните двигать палец влево и вправо, влево и вправо, еще и еще. Следите за пальцем глазами. На определенной скорости становится трудно следить за пальцем, зрительное изображение движущегося пальца расплывается. Теперь не двигайте пальцем, но начните качать головой влево и вправо, влево и вправо. Следите глазами за пальцем. В этом случае зрительное изображение пальца не расплывается, а остается сравнительно четким.

Дело в том, что мозг создает внутреннюю копию ожидаемого двигательного поведения, что необходимо зрительной системе. В этом процессе задействованы два предсказательных механизма. Во-первых, когда глаза следят за движущимся пальцем, сетчатка следует за движениями внешнего предмета (экзафферентный сигнал[340]). В какой-то момент движения сетчатки становятся недостаточно быстрыми, чтобы уследить за движениями пальца, и в результате зрительный образ пальца расплывается. Напротив, когда вы качаете головой, глядя на палец, мозг предсказывает соответствующее движение глаз для наблюдения за неподвижным пальцем (реафферентный сигнал). В результате в процессе восприятия движение сетчатки соответствует по скорости движениям головы. Эта функция памяти сопрягает двигательную систему с сенсорными закономерностями – заученный прием, указывающий правильное положение глаз (а не определение того, где они находятся). Терри Экри замечает: «Помните, что это мозг эволюционировал в теле, а не наоборот».

Упреждающие модели позволяют мозгу посылать глазам двигательные сигналы и компенсировать движения по отношению к неподвижному окружению. Это компромисс между точностью и скоростью. Создавая упрощенную модель (она не должна быть точной, просто «достаточно хорошей»), мозг сокращает количество сигналов, с которыми ему приходится иметь дело. Индуцированные мозгом сигналы отличаются от сигналов из внешнего мира. Мозг снижает собственную «когнитивную нагрузку», снижая помехи стимулов и стабилизируя обработку входящей информации от собственных сигналов (этим механизмом пользуются не только люди: так действуют мухи, рыбы, тараканы и сверчки).

Эта идея была подхвачена в недавних исследованиях в области когнитивной нейробиологии и философии. Ученые анализировали механизмы предвидения, главным образом в системе зрения, но также в системе слуха. Однако в большинстве моделей предсказательный мозг рассматривается в рамках компьютерного подхода, без достаточной связи с экспериментальными данными о клеточных механизмах.

Обоняние может восполнить этот пробел[341].

Открытая хаотическая система

Лишь небольшое число исследований было посвящено изучению предсказательных возможностей носа. Одно из ранних исключений – работа Уолтера Фримана из Беркли. В 1980-х годах он предложил нелинейную динамическую модель обработки обонятельных сигналов, которая напоминает современные идеи о предсказательном мозге[342]. Фриман предположил, что такие участки мозга, как луковица, принимают ряд устойчивых состояний с равновесной активностью нейронов, предпочитая так называемые «аттракторные состояния», или «аттракторы». В обонятельной системе вдох и выдох определяют восприимчивость этих равновесных состояний в отношении информации от внешних стимулов (в конце выдоха и начале вдоха) или интеграции информации во внутреннюю активность нейронов (при выдохе). На фоне этой постоянной активности обонятельные стимулы могут распознаваться как уже знакомые или усваиваться как новые. Знакомые запахи вызывают сложившуюся пространственно-временную картину активности. Незнакомые запахи сначала вызывают хаотическую активность, а затем формируют собственную пространственно-временную картину на будущее. В данном случае хаос – это условие для обучения, так что мозг не может спутать картину нового запаха с картиной уже знакомого.

Модель Фримана опередила время в изучении представления запахов на уровне нейронов. Фриман предполагал, что для распознавания запаха важна активность всей луковицы.

Пространственно-временные картины не были «отображением запаха», поскольку один и тот же запах может вызывать разные картины активности. Эти картины определяются не только специфическим фоновым состоянием животного (Фриман работал с кроликами), но также поведением, вызванным обонятельным стимулом. Когнитивист Энтони Чемеро приводит пример: «Если кролик научился связывать определенное поведение (скажем, выделение слюны) с определенным запахом (скажем, моркови), в его обонятельной луковице воспроизводимо повторяется характерная картина активации. Но если кролик научился другому поведению (скажем, съеживаться) при появлении запаха моркови, в луковице будет появляться другая картина активации. И поэтому [Фриман и его коллега Кристин Скарда] заявляли, что картина активации не может быть отображением запаха моркови»[343].

Фриман отвергал идею того, что отображение запаха – корреляция активности нейронов в соответствии с фиксированными схемами или матрицами. Он понимал характерные картины активации нейронов как способ, с помощью которого мозг заучивает связь между стимулом и ответом. Один и тот же стимул может вызывать разные картины активации в зависимости от контекста принятия решения (разное поведение или сочетание сигналов с разной модальностью).

Бывшая студентка Фримана Лесли Кей комментирует идею нелинейной динамики: «Это, очевидно, хорошая метафора. Система действует так, как если бы была хаотичной… Но система не закрытая, так что доказать это невозможно». Но изучить ее эффекты можно: «Уолтер показал, что картина изменяется при изменении ассоциаций с запахом. Изменяется не только эта картина, но и другие картины для других запахов тоже изменяются. Каждый раз, когда вы чему-то учитесь, организация луковицы перестраивается». В своих исследованиях она тоже обнаружила эти эффекты[344]: «С помощью поведенческих реакций мы индуцировали осцилляции мозговой активности, которую хотели изучать. Если мы слегка корректировали задание, чтобы животному легче было обучаться, мозг изменял способ решения этой задачи. Последовательность та же самая и отсчет времени примерно такой же. Это предсказуемо. Но амплитуда меняется и в значительной мере зависит от задачи: сколько задач уже умеет решать животное, какой запах вдыхает, на какой стадии обучения находится, привыкает ли оно к первой серии запахов или к следующим сериям».

Обоняние – это система решения задачи с очень непостоянными стимулами, непредсказуемыми как для внешнего источника, так и для структурных перестановок. Для развития идеи предсказательного мозга в рамках современной когнитивной нейробиологии очень важно понимать, как мозг обеспечивает гибкое поведение, соответствующее такому хаотичному миру. Что именно обоняние может сообщить о конкретных клеточных механизмах в основе функционирования предсказательного мозга?

Измерение мира

Представьте на минуту, что вы воспринимаете мир так, как это делает ваш мозг. Будучи мозгом, вы не можете идентифицировать запах иначе, чем через происходящее в носу. Все, что вы «видите» (более подходящего слова не найти) – это сигналы от рецепторов и активность нейронов на нескольких стадиях их обработки. Когда, как быстро и в каком порядке поступают сигналы, судя по всему, имеет большее значение, чем откуда они поступают. Это заставляет изменить точку зрения. Вместо того чтобы концентрироваться на запахах как неизменных матрицах, следует рассмотреть принципы работы нейронов, с помощью которых обонятельные сигналы расцениваются как запахи и разделяются на более или менее стандартные воспринимаемые образы. Как мы обсуждали в предыдущих главах, обработка обонятельных сигналов основана на оценке частоты встречаемости и новизны непредсказуемой и постоянно изменяющейся информации из нашего химического окружения. В этой главе мы поговорим о том, что для работы с запахами мозг должен выступать в роли некоего измерительного аппарата.

Что делает ваш мозг, когда предсказывает будущее? Он оценивает окружающее пространство во все стороны от вас. Например, как далеко или близко от вас какой-то предмет? Движется ли он, и если движется, то медленно или быстро? Меняются ли со временем его свойства, или он остается сравнительно стабильным? Опасен он или нет? И так далее. Это не свойства самого объекта или среды как таковых. Скорее это суждения о воздействии на воспринимающий организм (см. главы 3–5). Так механизмы кодирования смесей запахов требуют гибкой интеграции и классификации нерегулярных сигналов в различном поведенческом контексте.

Эта идея несовместима с представлением о стереотипной топографической карте, на которой смысл запаха отображен в виде фиксированной картины активации нейронов. Активность нейронов, кодирующая смеси ароматов, запускается поведением рецепторов и не позволяет получить четкую карту, связывающую стимул и ответ. Обонятельные стимулы нельзя зафиксировать на аддитивной шкале, поскольку их кодирование и вычисление не аддитивные – ни в луковице, ни тем более в обонятельной коре.

Альтернативная гипотеза гласит, что обонятельные сигналы отражают изменение сигналов в окружающей среде по отношению к ожидаемым, полученным «сверху». Будучи соотношением (мы уже говорили об этом в главе 6), запахи являются интерпретацией сочетаний и величин сигналов.

Для измерения окружающего пространства мозгу нужен способ структуризации и калибровки входящих сигналов. Для этого есть несколько механизмов на разных этапах обработки сигнала. Мы видели, что на периферии выборочная адаптация служит для калибровки системы, чтобы оценивать изменения в химическом окружении для некоторого фона. На уровне мозга для измерительной активности не нужна пространственная карта, хотя она может формироваться и использоваться в определенных целях или в определенные моменты. Мы видим, что в обонятельной системе информация, содержащаяся в стимуле, сначала распадается на несколько фрагментов, которые затем комбинируются и сравниваются между собой для создания общего сенсорного образа. Теперь мы более подробно рассмотрим механизмы обработки сигналов в центральной нервной системе, которые осуществляют структурирование и управляют этим распределением, а также интегрируют обонятельные сигналы в ходе различных параллельных процессов.

Кодирование запахов происходит в динамическом формате. Обонятельная система может приписывать разные значения одному и тому же стимулу. Вслед за Фриманом нейробиолог Жиль Лоран из Института Макса Планка во Франкфурте считает, что это важнейший элемент, который нужно учитывать при моделировании кодирования запахов, и приводит доказательства в пользу сетевых моделей вместо дискретных хемотопических представлений. Для кодирования многомерных сигналов в изменяющихся условиях принятия решений система использует два основных процесса: формирование обширного кодирующего пространства и широкое распределение нейронных сигналов[345].

Во-первых, кодирующее пространство обонятельной системы достаточно объемное. В предыдущих главах мы говорили о том, что химический стимул 1) сначала разбивается на части за счет комбинаторного кодирования на уровне рецепторов (см. глава 6), а затем 2) дополнительно изменяется («декоррелируется») в процессах ингибирования/активации в микросетях луковицы (см. глава 7). Декорреляция – это временной процесс, протекающий за счет локальной обработки сигналов молекулярными механизмами вставочных нейронов. Каждый декоррелированный обонятельный сигнал характеризует временную картину активации, на основе которой происходит его объединение с другими сигналами в сходных, синхронных состояниях (вскоре мы поговорим о клеточных механизмах этих процессов). Таким образом, пространственно-временная активность луковицы должна рассматриваться как отражение динамики кодирующего пространства, а не фиксированного представления запахов, поскольку запахам могут соответствовать разные значения и, следовательно, картины активности.

Во-вторых, декоррелированные сигналы далее широко распределяются и становятся разреженными в обонятельной коре. Такое широкое распределение позволяет обонятельным сигналам интегрироваться и синхронизироваться с параллельными процессами в соседних участках коры (для временной корреляции с вербальными сигналами и сигналами в других модальностях). Разреженное кодирование в этом контексте ослабляет перекрывание сложных нейронных картин многомерных стимулов. В частности, рассредоточенные картины активности способствуют быстрому временному формированию многослойных ассоциаций специфических обонятельных сигналов с разным значением и разным обусловленным поведенческим ответом (как у кроликов Фримана). Если бы сигналы на уровне нейронов были слишком детализированы, было бы очень сложно связывать их с другими сигналами и воспроизводить в будущем. Рассредоточенные сигналы менее детализированы, но быстрее обрабатываются и распознаются (эта идея напоминает о пределе Лэйнга: анализ сложных обонятельных образов в качестве «гештальтов» ограничен по количеству компонентов; см. главы 6 и 9).

Ключ к динамическим вычислениям обонятельных образов – во временном, а не топографическом подходе к обработке сигнала. В таком случае правильнее сравнить процесс осмысления мозгом изменяющихся фрагментов информации с измерением, а не с проецированием на карту. Концепция измерения заставляет также изменить представление об отображении стимула. Мозг выдает не фиксированные изображения предметов (картинка X для запаха X), а динамически закодированные картины, связывающие входящую информацию с другими ответами (картинка X сформировалась для обозначения перцептивного ответа в состоянии X).

Какая структурная организация нейронов и какие клеточные механизмы позволяют обонятельному мозгу получать сигнал и обрабатывать в таком ключе, чтобы отбирать, измерять, отражать и представлять на карте изменчивый состав химического окружения? Ответ появляется при анализе обширных связей луковицы и обонятельной коры с соседними отделами коры. Обонятельная кора состоит из нескольких отделов. Многочисленные митральные клетки связывают луковицу с грушевидной корой – самым крупным отделом первичной обонятельной коры. Ее архитектура способствует широкому распределению обонятельных сигналов.

«Энигма»

Анализ обонятельной коры можно сравнить с прогулкой по широко распределенной сети комбинаторной активности нейронов. «Как называлась машина, которую использовали немцы? – смеется Экри. – “Энигма”[346]! Вы загружаете в “Энигму” входные данные. Информация здесь, но она не искажена процессом ввода. На основании структуры входных данных вы не можете сказать, что это за информация, и на основании выходных – тоже. Вот почему “Энигма” была мощным кодирующим устройством, но должен был существовать механизм для ее раскодирования. – Экри выглядит взволнованным. – В каком-то смысле связь между обонятельной луковицей и грушевидной корой – это “Энигма”». Код «Энигмы» был раскрыт не через описание выходных данных и не через код для каждого сообщения. Не было явного соответствия между входными и выходными данными. Для разгадки «Энигмы» нужно было раскрыть заложенные в нее принципы шифрования. То же самое можно сказать об обонятельном мозге и о том, как он транслирует молекулярную информацию в ментальные образы.

Грушевидная кора – активный информационный узел с широкой сетью выходных сигналов. Она посылает сигналы к соседним отделам коры с разными чувствительными и познавательными функциями, включая гиппокамп (память), амигдалу (распознавание, первичные эмоции, избегание), обонятельный бугорок (перекрестная модальность, слуховые ассоциации), орбитофронтальную кору (принятие решений), энторинальную кору (ориентирование и восприятие времени), периренальную кору (интеграция сигналов с перекрестной модальностью) и другие. Грушевидная кора не просто посылает сигналы в эти отделы, она получает в ответ сигналы обратной связи.

Обонятельная кора в качестве кодирующего устройства шифрует информацию. Вместо того, чтобы формировать дискретные кластеры нейронов, как в гломерулярном слое, выходящие из луковицы аксоны митральных клеток расходятся далеко, широко и разрозненно в пять главных отделов обонятельной коры и прилежащие области. «В некоторых областях, таких как амигдала, сохраняется определенный пространственный порядок», – объясняет Ричард Аксель. А в других его нет. «Если вы посмотрите на первичную сенсорную кору, то увидите, что порядок исчез. Все запахи активируют распределенные образы, которые переплетаются и различаются для всех запахов. Конкретный запах активирует разные картины в мозге разных людей… и на обеих сторонах вашего собственного мозга!» Так что не только ваша картина активации грушевидной коры в ответ на 2-метоксибензальдегид (со сладковатым запахом аниса) отличается от картины в голове вашего возлюбленного, но даже картина в вашем правом полушарии выглядит иначе, чем в левом.

Грушевидная кора считалась важнейшим участком формирования обонятельного образа, где большинство сигналов из разных обонятельных отделов интегрируются в нейронные картины обонятельных образов. Но в грушевидной коре нет заметного порядка[347]. В 2011 году Дара Сосульски, Ричард Аксель и Сандип Роберт Датта (сначала в Колумбийском университете, теперь в Гарварде) следили за отростками митральных клеток, протянувшимися от луковицы до грушевидной коры[348]. Они вводили маркер (модифицированный декстран) в митральные клетки, иннервирующие клубочки, чтобы понять, какую информацию аксоны передают соседним клеткам и другим аксонам. На уровне коры обнаруживается картина широко и нерегулярно распределенной информации (Рис. 8.1)[349].

РИС. 8.1. Сравнение путей передачи сигналов в зрительной и обонятельной системе. Слева: ретинотопическая организация, отражающая топографию проекций сигналов от сетчатки через таламус к первичной зрительной коре V1. Справа: пространственно распределенная активация рецепторов в эпителиальном слое; сигналы активации собираются и организуются в дискретные пространственные кластеры (клубочки) в обонятельной луковице, а затем распределяются по разным участкам грушевидной коры. Источник: © Ann-Sophie Barwich.

Удивительно наблюдать, как четкие кластеры в луковице распадаются в сенсорной коре. Лесли Воссхолл, работавшая в лаборатории Акселя, говорит: «Я чувствовала, что людям не нравится работа Акселя с грушевидной корой, поскольку трудно признать, что что-то случайно и изменчиво. Но я узнала об этой работе с огромным облегчением, поскольку совершенно не понимала, к чему мы можем прийти, если каждый синапс что-то отображает. В какой-то момент нужно абстрагироваться от смысла этих нейронных картин. Они должны быть гибкими, чтобы вы могли воспринимать нечто, чего никогда ранее не нюхали. Возможно, вы не можете это назвать, но вы можете это обнаружить. Это должно накладываться на опыт. Так что я сочла гибкость кодирования в грушевидной коре фантастическим результатом!»

Мозг описывает не молекулы, а временные информационные картины, извлеченные и соотнесенные в конкретном контексте, без использования матрицы химических веществ для классификации бесчисленных молекулярных вариаций.

Однако Мэтт Роджерс предполагает, что некая карта может обнаружиться при появлении более качественных инструментов. «Мы видим лишь 10, 15, максимум 20 % [грушевидной коры]. С теми инструментами, какие у нас есть, мы не видим всего. Пока кто-нибудь не покажет мне полностью объемную грушевидную кору, я не оставлю идею, что хемотопическая карта выходит за пределы обонятельной луковицы. – И добавляет: – Я знаю, что таких доказательств пока нет, или их очень мало. На самом деле я не думаю, что карта существует. Я просто ставлю вопрос шире. Мы пытаемся получить максимальную информацию с теми инструментами и технологиями, которые у нас есть».

Эйвери Гилберт заметил, что даже некоей скрытой карты было бы недостаточно для кодирования запахов, если ее модель основана на свойствах зрительной системы. Как было показано в предыдущих главах, обонятельная система в такую схему не укладывается. «Мне кажется, обонятельная система не описывается кортикальной картой для зрения. Световой поток, определение контуров, стабильность цвета – все это можно локализовать. Все это располагается на скрытом базовом уровне системы, совсем в иной плоскости. И я думаю, мы проделали хорошую работу, найдя биологические и неврологические неизменные части зрительной системы. Но я думаю, что все неизменные части обоняния – полностью внешние».

Кроме того, как отмечал Аксель, зрительная система тоже не подчиняется исключительно топографическому описанию. На более высоком уровне топография исчезает. «Представление о том, что вы продолжаете использовать топографию, когда решаете проблему, скажем, распознавания предметов, соответствует довольно простой задаче по сравнению с тем, что приходится делать зрительной системе. Вы отбрасываете пространственный порядок и используете случайные сигналы». Возможно, мозг не способен отображать все предметы, которые ему встречаются. В какой-то момент он переходит на более абстрактный уровень. «Я имею в виду, что структура существует, но подумайте, что и в зрении в конечном итоге мы вновь возвращаемся к случайным входным сигналам. – И добавляет: – Эта случайность в других системах чувств проявляется на более поздних ступенях. Мне кажется, что в других областях, где есть эта прекрасная топографическая организация, она отбрасывается при переходе на более высокие ступени активности мозга».

Обоняние становится идеальной моделью для изучения обработки сигналов более высокого порядка в других модальностях. Интеграцию высших отделов мозга понять трудно; эти сигналы не топографические, а случайные и автоассоциативные[350], как в обонятельной системе.

Новые модели описывают грушевидную кору в качестве автоассоциативной структуры (в частности, это относится к работам Льюиса Хэберли, Дона Уилсона, Кевина Фрэнкса, Наошиге Учиды, Филиппа Литодона, Джерри Исааксона и других)[351].Автоассоциативной называют интерактивную и перекрестную обработку сигналов в грушевидной области и соседних с нею областях. Большая часть активности грушевидной коры характеризуется наличием обратной связи для усиления, ингибирования или уточнения информации. Эти взаимодействия с обратной связью происходят между грушевидной корой и луковицей, а также грушевидной корой и более высокими областями коры. Взгляните на рис. 8.2; происходящее между луковицей и грушевидной корой правильнее всего назвать «зашифровывание сигнала» – вновь, и на этот раз безвозвратно. Видно, что отростки из некоторых клубочков концентрируются в каких-то участках грушевидной коры (конвергенция сигналов), а отростки из других клубочков расходятся и распределяются совсем по разным местам (дивергенция сигналов)[352]. Остается неясным, не связано ли это с генетическими факторами, например, с разным диапазоном настройки рецепторов. Аксель объясняет последствия такой перекрестной связи: «Эксперименты в нашей и в других лабораториях показали, что конкретный нейрон в первичной сенсорной коре получает сигналы от нескольких клубочков. Но эти сигналы неупорядоченные. Конкретный нейрон в сенсорной коре получает сигналы от случайного набора клубочков».

РИС. 8.2. «Зашифровывание сигнала» между главной обонятельной луковицей (MOB) и грушевидной корой (PCx), иллюстрирующее конвергенцию и дивергенцию сигналов. Источник: M. I. Vicente and Z. F. Mainen, Convergences in the Piriform Cortex, Neuron 70, no. 1 (2011): 1–2, fig. 1 © 2011 Elsevier Inc.

«Если это так, – подчеркивает Аксель, – то конкретный запах должен активировать разные картины у разных людей, а значит, эти картины не имеют [собственной] ценности; возможно, для организма они не имеют смысла. И нужно, чтобы связи в высших отделах мозга придали смысл этим картинам. Мы проделали много экспериментов, которые, судя по всему, подтверждают, что это удивительное наблюдение действительно справедливо».

Активность на входе в грушевидную кору распределенная и рассеянная; она зависит от конкретного индивидуума и от временных факторов. Воссхолл комментирует: «Мне нравится идея, что грушевидная кора представляет собой такую читающую, пишущую и исправляющую логическую машину, которая отображает информацию, не имеющую фиксированной локализации или идентичности. Я не знаю, как это прочесть, и я не думаю, что кто-нибудь знает. Но мне это кажется важным… Самое ужасное, что у нас есть четыреста клубочков и есть некая геометрическая структура, в которой четыреста клубочков укладываются на карту грушевидной коры, формируя спираль или куб, но это не решает проблему восприятия. У нас нет достаточной информации о коде, чтобы оперировать картинками».

Такая случайность функциональна. Информация разбивается на множество фрагментов, которые сравниваются и группируются в результате различных превращений. Именно так обонятельная система способствует удивительной гибкости поведения в ответ на стимулы с разным смыслом в разных природных сочетаниях. Для осмысления происходящего «Энигма» использует два механизма: нисходящие сигналы, определяющие ожидание, и временное кодирование, структурирующее отношения входных данных.

Карта исходящих сигналов

Может быть, пришло время для обратного проектирования. Цзоу Донцзин предложил анализировать в этом контексте картины исходящих, а не поступающих сигналов. «Меня интересует выход из грушевидной коры. Вероятно, он не так дезорганизован, как мы думали. Здесь может быть некая организация, например, какой-то новый тип конвергенции».

В 2014 году Стюарт Фаерштейн и Фред Чен изучали грушевидную кору, повернув проблему обратной стороной[353]. Вместо того, чтобы задаваться вопросом, что сообщает сигнал (то есть исследовать его эфферентные связи), они смотрели, откуда он идет (афферентные связи). В частности, они следили за проекциями из двух доменов орбитофронтальной коры высшего порядка (агранулярного островка и латеральной орбитофронтальной коры) обратно в грушевидную кору. Им повезло. Исследователи из лаборатории Фаерштейна обнаружили две различимые популяции нейронов с почти неперекрывающейся топографической организацией. Это указывает на наличие нисходящей организации: сигналы в грушевидной коре регулируются за счет системы обратной связи с высшими отделами коры головного мозга.

Цзоу объясняет: «Это вставочные клетки, но их отростки идут в разные отделы. Мы начинаем предполагать, что существует некий уровень переорганизации для сигналов, выходящих из грушевидной коры». Однако это предварительные результаты. «Проблема в том, что грушевидная кора огромна. Есть много других участков, в которые она направляет сигналы. Пока это не изучено досконально».

Тем или иным образом нисходящие эффекты определяют интеграцию обонятельных сигналов; сигналы в грушевидной коре структурируются на выходе. Эти идеи подтвердились в 2017 году в лаборатории Александра Флейшмана при анализе нейронных подсетей и временных картин активации в грушевидной коре[354]. Это тоже еще не окончательные данные, но они уже направляют нас к новой модели.

Ключ в межнейронных связях. Плотная ассоциативная сеть в грушевидной коре способствует широкому распределению и мгновенной интеграции обонятельных сигналов в соседние процессы. Значение обонятельного сигнала в меньшей степени зависит от его организации на входе и больше от его участия в параллельных процессах. Мы видим, что представление сигнала на уровне нейронов в сердце обонятельной коры, где в каждый момент времени происходят бесчисленные комбинации, соединения и перекрестные активации, на самом деле является процессом. Грушевидная кора обеспечивает гибкость сигнальной активности, информируемой активностью нисходящих связей. Главная задача мозга в отсутствие четкого пространственного порядка – в расчете наличия, силы, конкуренции и последовательности сигналов. Нисходящие процессы определяют интеграцию сигналов и связывают категоризацию запахов с опытом, ожиданием и эффектами в перекрестных модальностях.

Это половина истории того, как мозг производит измерения окружающего пространства путем отбора информации и определения приоритетов. Вторая половина относится к регуляции входных сигналов. Порядок появления – временная последовательность нейронных картин – определяет конкуренцию входных сигналов и их интеграцию с другими сигналами для оценки с точки зрения особенностей, известности или новизны. Временное кодирование обонятельных сигналов осуществляется с помощью двух механизмов – очередности кодирования на уровне рецепторов и популяционного кодирования на уровне нейронов.

Очередность кодирования

Очередность кодирования на уровне рецепторов подразумевает, что идентичность запаха зависит от избирательной активации рецепторов. Лишь небольшой набор рецепторов – не все сразу – первоначально отвечает на стимул в определенной концентрации и определяет, какой сигнал от эпителия получает мозг. Объяснение запахов с учетом временных параметров кодирования началось с исследований эффектов латентности (тоже в обонянии) Джоном Хопфилдом в середине 1990-х годов[355]. Латентностью называют временной интервал между действием стимула и ответом. Нейробиолог Дима Ринберг из Нью-Йоркского университета, физик по образованию, развил эту идею в компьютерной модели рецепторов[356]. «Идея об очередности кодирования появилась в нашей лаборатории пару лет назад, – рассказывает он. – На самом деле она очень простая – рецепторы можно упорядочить по чувствительности: более чувствительные, менее чувствительные и очень слабые. Вообще говоря, именно это видит мозг».

Картина активации рецепторов изменяется с повышением концентрации стимула. Ринберг описал гипотетический рецепторный код для нескольких концентраций одного запаха. Например, запах в низкой концентрации возбуждает небольшую группу рецепторов {R1; R2}. При средней концентрации запаха возбуждаются и другие рецепторы, и группа расширяется до {R1; R2; R3; R4}. При высокой концентрации запаха возбуждается еще больше рецепторов, и образуется группа {R1; R2; R3; R4; R5; R6}.

Как объясняет Ринберг, распознавание смесей естественным образом вписывается в эту модель. Активность некоторых рецепторов подавляется, когда на эпителий действует несколько запахов, так что для смесей первичный набор изменяется. Например, если вы действуете на эпителий смесью A+B и обнаруживаете первичный набор активирующихся рецепторов {R1; R3; R4; R5; R6}, он будет не таким, как первичные наборы активирующихся рецепторов в случае воздействия запахов A {R1; R3; R5; R7} и B {R2; R4; R6} по отдельности.

В таком случае различие между обонятельными сигналами отражается первичным набором возбуждающихся рецепторов. Эти наборы разные для мономолекулярных запахов и смесей, а также запахов в разной концентрации. Конфигурационные эффекты в восприятии смесей, такие как «образ картофельных чипсов» в экспериментах Экри, находят материальное объяснение: специфические соотношения активируют специфические первичные наборы рецепторов. Отдельные молекулы запаха (метилмеркаптан, метиональ, 2-этил-3,5-диметилпиразин) имеют иной код первичной активации, нежели их смесь. Кроме того, первичные коды различаются для таких смесей при разном соотношении компонентов. Роджерс считает эту идею правдоподобной, исходя из теоретических системных соображений. «Вопрос о временной очередности, на который обратил внимание Дима, представляется интересным. Предполагается, что в наибольшей степени результат восприятия определяется самыми чувствительными рецепторами для конкретных молекул».

При этом возникают новые вопросы о кодировании запахов. Роджерс замечает: «Если существует очередность, когда есть, допустим, около двадцати рецепторов и один из них – «самый главный», что система делает с остальными девятнадцатью? Зачем они нужны? Чем они занимаются?» Роджерс возвращает нас к эффектам подавления активности, описанным Фаерштейном (см. глава 6). «Есть некое противоречие, изменяющее код. Удивительны масштабы происходящего. Я предполагаю, что система обладает некоторой избыточностью. Так что если главный рецептор не активируется по какой-то причине, например, из-за наличия в смеси антагониста, вы все равно в некоторой степени можете ощущать запах. Особенно если этот запах важен с точки зрения поведения». И развивает идею: «Несколько путей рецепторной активности [могут приводить] к одинаковому восприятию. Вот что я называю избыточностью. Активность рецепторов в отношении кодирования смесей – это серьезный вопрос».

В ответ Ринберг поясняет, что он предлагает лишь компьютерную модель. Она не определяется биологическими свойствами компонентов: «Красота модели первичного кодирования в том, что она не зависит от всех этих факторов». Это мнение признается не всеми. Кей считает, что поведение рецепторов, включая очередность кодирования, зависит от биологических условий, в которых находится организм. Она добавляет, что двигательное поведение влияет на скорость вдыхания запахов и следовательно, на временное кодирование. Как объясняет Кей, ограниченность данных Ринберга, полученных в экспериментах на грызунах с зафиксированной в одном положении головой, связана с тем, что у них «отсутствуют вестибулярные эффекты, которые возникают при вдыхании запахов». Вестибулярные эффекты связаны с контролем движений и равновесия. Она говорит: «По-видимому, крысы с зафиксированной головой нюхают медленнее. Если животные нюхают медленнее, это означает, что воздействие стимула пролонгируется и его легче воспринять, но я готова поспорить, что животным труднее делать что-то другое. Так что, возможно, они не различают химические вещества». Изменение скорости вдыхания запахов отражает компромисс между более точной и подробной идентификацией и быстрым двигательным ответом.

Ринберг отвечает, что в других исследованиях было показано, что распознавание запаха не зависит от того, с какой скоростью нюхать[357]. Это дополняет его же статью 2018 года «Независимое от дыхания кодирование запаха»[358]. И все же эта стабильность может зависеть от других факторов, включая запоминание стимулов через распознавание картин активации. Границы между распознаванием запахов и памятью – предмет постоянных дискуссий. «Трудно отделить обонятельное восприятие от заученных воспоминаний, – отмечает Цзоу. – Чаще всего, если вы применяете запах всего один раз, животное его сразу запоминает. Сколько запахов подряд клетки в состоянии запомнить?»

Вопрос о зависимости – или независимости – очередности кодирования от биологических факторов и тем более о степени этой зависимости требует дальнейших исследований. Каким бы ни был результат, идея очередности кодирования создает новые основания для построения теории кодирования запахов.

Ее принципы объясняют быстрые взаимодействия сенсорной системы с окружающим миром. Более длительное, повторяющееся или интенсивное вдыхание запаха в отличие от краткого вдыхания изменяет выборку достигающих носа химических сигналов еще до их оценки. Оценка зависит от временного кодирования на уровне популяций нейронов.

Популяционное кодирование

Мозг анализирует всплески активности нейронов – нервные импульсы. Эта активность имеет разную скорость и последовательность на фоне временных картин популяций нейронов. Пики показывают, когда, в каком сочетании и порядке и при какой амплитуде стимул превращается в нейронный сигнал. Сигнальные события никогда не происходят изолированно, они всегда формируют последовательности. Каждый последующий сигнал определяется предшествовавшими и параллельными сигналами. Аналогично тому, как вы чувствуете, что килограмм весит меньше после того как вы несли пять килограмм, и больше после того как вы несли сто грамм, так и параметры нейронного сигнала, включая его силу, соотносятся с другими сигналами. Опыт тяжести груза – это мера состояния вашего тела в данном контексте, как и ответ нейронов на стимулы. Такая же аналогия справедлива для запахов.

Как анализировать временной код через нервные импульсы? Роджерс смеется: «Здесь в игру опять включается электрофизиология!» Электрофизиологические методы регистрируют потенциалы действия. При возбуждении через клеточную мембрану нейрона проходит сложный каскад ионов, из-за чего изменяется напряжение и электрический заряд нервной клетки.

Механизмы временного кодирования в популяциях обонятельных нейронов млекопитающих изучены недостаточно. С насекомыми дело обстоит лучше. Причина, почему временные модели для обоняния насекомых пока не нашли отражения в работах с млекопитающими, в том, что насекомыми и грызунами занимаются ученые из разных научных сообществ. Наиболее заметные исследования насекомых были проведены в лаборатории Жиля Лорана, а также Джона Хильдебранда, Юргена Бокса, Джона Карлсона, Марка Стопфера и других[359]. Однако обонятельные системы у насекомых и млекопитающих, несмотря на значительные различия, удивительно похожи по механизмам и принципам[360]. Что же мы можем узнать от мух?

Временное кодирование в обонятельной системе насекомых регулируется с помощью ингибирования[361]. Стопфер смеется: «Я думаю, ингибирование – это все!» В случае насекомых «некоторые доказательства временных структур есть уже на уровне рецепторных обонятельных клеток, которые у насекомых обеспечивают входной сигнал для проекционных нейронов в антенной доле. Эти проекционные нейроны демонстрируют гораздо более сложные картины активации, чем рецепторные клетки. Когда вы смотрите на реальную картину возбуждения проекционных нейронов и воздействуете на антенны разными запахами, это сразу бросается в глаза».

Механизмы ингибирования структурируют сигнал в каждом нейроне, как азбука Морзе. Стопфер продолжает: «Это сложные и воспроизводимые временные картины. Вы видите картины ингибирования, потом возбуждения, потом ингибирования. Вы видите серию всплесков, затем ингибирование, потом опять серия всплесков, опять ингибирование, и еще одна серия всплесков. И так все время!»

Разные скорости возбуждения сенсорных нейронов в ответ на разные стимулы приводят к изменению по разным временным шкалам. Например, возможны различные проходящие серии импульсов, тоническое возбуждение (медленное и постепенное), которое длится дольше воздействия стимула, или сочетание обоих вариантов. Кроме того, всплески могут иметь разную длительность, интенсивность, время задержки. Кроме возбуждения сигналы нейронов регулируются медленно и быстро действующими механизмами ингибирования, и так далее. Кей добавляет: «Таким образом, ингибирование координирует и формирует активность, а также определяет ее временной ритм. Без этого вы имеете просто массив входных сигналов – а при поступлении на следующий кортикальный уровень все размывается».

Стопфер объясняет, что торможение эффективно регулирует колебания популяций нейронов. «Например, в антенной доле мы видим ингибирование по двум временным шкалам. Есть очень медленные картины, определяющие поведение проекционных нейронов. На них накладываются очень быстрые ритмичные колебания, которые способствуют синхронизации пиков. Что это означает для остальной части системы? Идея Жиля, которая мне кажется правильной, в том, что следующие за ними клетки очень чувствительны к синхронизации».

Стопфер подчеркивает важность ингибирования для синхронизации активности. «Идея в том, что ритмическое торможение (колебание) координирует возбуждение популяций нейронов таким образом, что они становятся «синхронными». Пики двух разных нейронов синхронизируются, если происходят в одном цикле колебаний. Мы знаем об этом, поскольку реактивные нейроны обычно возбуждаются только на пике цикла».

Временное кодирование относится не к отдельным нейронам, а к координированной активности популяций нейронов. Стопфер комментирует: «Если бы пики этих проекционных нейронов были менее синхронизированы, нельзя было бы вызвать возбуждение клеток Кеньона». (Клетки Кеньона – нейроны грибовидного тела насекомых, аналога грушевидной коры у млекопитающих.) Пиков могло бы не быть, поскольку «эта активность была бы рассредоточенной и не суммировалась для достижения порогового значения, необходимого для возбуждения клеток Кеньона. Синхронизация позволяет клеткам Кеньона возбуждаться за счет того, что достаточное количество пиков проекционных нейронов выравнивается во времени. Но вспомните, что есть еще картина очень медленного торможения, которая определяет, какие проекционные нейроны возбуждаются в определенные моменты времени по отношению друг к другу. Только определенная популяция проекционных нейронов возбуждается примерно в одно и то же время, поскольку одни нейроны тормозятся, а другие – возбуждаются».

Картины возбуждения нейронной популяции накладываются друг на друга, приводя к более сложной связи между распространением сигнала и двигательным поведением, и наоборот. Возбуждение связано с поведением через сопряжение действия и восприятия. Как мозг читает эти сигналы?

Интерпретация азбуки Морзе

Важнейший этап процесса состоит из трех актов. Во-первых, специфичность ответа нейронов повышается при продолжительном воздействии стимула. Стопфер уточняет: «Когда запах появляется впервые, колебаний не происходит. Требуется двукратное или трехкратное воздействие запаха, прежде чем они начнутся. Это связано с пластичностью нейронов антенной доли, зависящей от активации. Локальные нейроны реагируют более эффективно после многократной активации. В результате повторного воздействия запахов тормозящие локальные нейроны все эффективнее синхронизируют активность проекционных нейронов. Мы считаем, что это помогает системе становиться более специфичной, если запах продолжает присутствовать».

Во-вторых, повторяющийся опыт обеспечивает избирательность и категоризацию. Стопфер комментирует: «Что важно, а что – помехи? Может быть, важным считается то, что присутствует постоянно, а не быстротечно. Допустим, вы находитесь рядом с источником запаха, или есть что-то, на что ваши рецепторы настроены наилучшим образом, и встречи с этим запахом будут повторяться. В результате процесс будет усиливаться, так что вся система станет еще специфичнее. Мы подозреваем, что при первой встрече с запахом происходит большой всплеск активности – не особенно специфичной, но, возможно, приводящей к некоему ориентирующему ответу, которой сообщает, что здесь есть нечто новое. Если запах еще какое-то время присутствует, система на него настраивается. В терминах динамических систем можно сказать, что антенная доля формирует аттрактор в отношении этого стимула, [помечая пространство], и затем система способна распознавать этот запах точнее».

В-третьих, повторяющийся опыт способствует уточнению сенсорного кода. Стопфер продолжает: «Вы идете от очень общего ответа к гораздо более специфическому. В самом начале происходит крупный всплеск, который сообщает, что в окружающей среде появилось нечто новое. И сразу после этого вы начинаете классифицировать: например, это скорее цветочный запах, нежели пряный. Если запах продолжает действовать, по мере повторения процесса система становится все специфичнее, нисходящий сигнал становится специфичнее, и вы можете точно определить, что это такое. По такой схеме поначалу вы делаете общий вывод: это что-то [фруктовое], а затем по ней же вы скажете: а, ну конечно, это вишня, а не клубника. Это происходит только в том случае, если запах присутствует достаточно долго, чтобы представлять для организма какой-то интерес».

Важно, что данные механизмы структурируют и определяют приоритет восходящих сигналов. «Это пример пластичности с функцией упреждения, – считает Стопфер. – Он не зависит от механизма внимания, подающего сигналы сверху из разных участков мозга», хотя, безусловно, нисходящие сигналы направляют, ускоряют и усиливают процесс уточнения наблюдений. Таким образом активность мозга по измерению ответа нейронов формируется несколькими динамическими механизмами, включая направляющие (упреждающая и обратная связь) и пороговые (под влиянием опыта нейронов для специфических сигналов).

Эти механизмы, регулирующие поведение популяций нейронов, объясняют, как обонятельная система далее дифференцирует запахи либо неоднозначные, либо недостаточно определенные на уровне комбинаторного кодирования и распределения сигнала. Их повторяющаяся оценка облегчает процесс отбора и обучения, позволяющие уточнить наблюдения. «Но это не объясняет, как запахам присваивается смысл, – заключает Стопфер. – По моему мнению, это самый важный вопрос, остающийся без ответа, поскольку получается, что связь между проекционными нейронами и клетками Кеньона в значительной степени устанавливается случайным образом».

Распределение сигнала кажется случайным. Но его измерение далеко не произвольно. «В обонянии информация содержится во временном соотношении активации разных нейронов», – подытоживает Стопфер.

Общие принципы, индивидуализированное исполнение

Представление сигналов на уровне нейронов в системе обоняния индивидуализированное. Не существует стереотипной топографической карты запаха, какого-то обобщающего порядка, который связывал бы пространство физического стимула с пространством воспринимаемого образа в мозге. Но это не означает, что в системе обоняния нет правил. Объективный элемент – вычислительный процесс кодирования фрагментов сигналов с их превращением в корректируемые перцептивные суждения: текущий ответ определяется физиологическим состоянием наблюдателя и изменяющимся соотношением сигналов в окружающем пространстве.

Обоняние – это динамическая кодирующая и вычислительная система. На уровне нейронов она функционирует за счет индивидуализированного, а не фиксированного отображения. МакГанн соглашается: «Код нейронов развивается во времени, а мозг знает свой собственный код. В том смысле, что не обязательно искать единый код, который справедлив для всех мышей или всех людей, поскольку каждый из них в принципе может иметь собственное представление, которое уникально для каждого существа в зависимости от предыдущего опыта и того, что происходило в ходе развития». Таким образом, не только эволюция, но также развитие и опыт организма обеспечивают основания для калибровки мозга как инструмента для измерения мира. Эта измеряющая активность мозга самоорганизующаяся и избирательная.

В таких рамках чувственное отображение связано с информационным содержанием. Это содержание не обязательно представляет элементы восприятия как классы универсальных «перцептивных объектов». Обонятельный мозг измеряет «обонятельные ситуации», определяет, как разные сигналы связаны между собой (с точки зрения времени, комбинаторики, причинности), дает образам восприятия специфическую оценку (приятный, вонючий) и вызывает соответствующий поведенческий ответ. Информационное содержание в таких обонятельных ситуациях разное. Оно зависит от ассоциаций, возникших между соотношением и сочетанием входных сигналов, а также оценки их (предсказуемых) взаимодействий.

Это полностью меняет онтологию системы, а заодно и подход к ее анализу. Кей подчеркивает: «Следует признать, что в разные моменты вы изучаете не одну и ту же систему. Вы изучаете динамическую систему. Вы выхватываете ее в какой-то точке и должны понять, где эта точка находится». Это создает экспериментальные трудности – и спектр возможностей.

Глубокая связь между входным и выходным сигналом в обонятельной системе создает хорошую основу для соединения экспериментальной нейробиологии с компьютерным моделированием. Афферентная связь (в грушевидной коре) и временное кодирование (первичное и популяционное) представляют собой клеточное выражение двух главных принципов новых теорий «предсказательного мозга». Эти теории, как мы упоминали выше, предполагают, что мозг заучивает закономерности стимулов. Он измеряет окружающий мир через предсказания, в которых перцептивное содержание каждого входного сигнала сравнивается с предыдущим опытом. Благодаря высокой пластичности и зависимости кодирования от контекста обоняние представляет собой прекрасную модель для анализа того, как два вычислительных принципа – предсказание (нисходящие процессы) и коррекция ошибок (восходящие процессы) – связаны с клеточными механизмами на периферии и в мозге.

Психофизические исследования давно указывали на то, что обоняние использует предсказательные механизмы. Йонас Олофссон подчеркивает влияние перекрестной модальности: «Если у вас есть подсказка «лимон» и ваша задача – распознать, является ли данный запах запахом лимона или нет, вы быстрее реагируете, если это действительно лимон, чем если это не лимон. Мы считаем, что причина кроется в том, что в нашей обонятельной коре создается предсказательная [временная] матрица для сравнения. Это облегчает восприятие конкретного свойства, конкретного обонятельного объекта. Если это не запах лимона, мозг должен представить себе, что это может быть. Но если название найдено, время реакции сокращается. В таком сценарии роль обоняния сводится не к поиску перцептивных изменений, а к подтверждению правильности необонятельного сигнала».

Такая интерпретация согласуется с результатами последних экспериментов с визуализацией грушевидной коры и соседних отделов мозга. Восприняв идею о предсказательном носе, Джей Готтфрид решил ее проверить экспериментально. В 2011 году Готтфрид и его постдокторант Кристина Зелано показали, как процесс предсказания направляет работу обонятельной системы человека[362]. Они сопоставляли картины активации нейронов с данными функциональной магнитно-резонансной томографии. Сначала Готтфрид и Зелано знакомили участников испытаний с конкретным запахом (назальная маска обеспечивала контролируемые условия). А затем просили обнаружить этот запах среди стимулов трех типов. В этих экспериментах конкретные стимулы соответствовали ожидаемому запаху, другому запаху или смеси двух запахов. (В исследовании участвовали две группы людей, каждая из которых должна была реагировать на один из этих двух запахов.) Когда стимул соответствовал ожиданиям, активность нейронов до и после его воздействия имела более высокую корреляцию, чем в тех случаях, когда участнику представляли неожиданный запах.

Эти результаты показывают, что грушевидная кора создает временную предсказательную матрицу запаха, в дальнейшем способствующую более быстрой идентификации уже знакомого запаха. Кроме того, временные различия активности в нескольких отделах коры (таких как передняя часть грушевидной коры и орбитофронтальная кора) указывают на возникновение предварительных картин, сохраняющихся на протяжении нескольких секунд после воздействия стимула, вне зависимости от природы стимула. Это означает, что активность в этих отделах в основном определяется ожиданием, а не самим стимулом. Тем временем в других отделах (таких как задняя часть грушевидной коры) наблюдается более быстрый переход от картины до воздействия стимула к картине после воздействия стимула, что указывает на функциональную роль этих отделов в интеграции упреждающих и обратных связей. В данном случае обработка информации определяется скорее входным сигналом, чем обратной связью. Исследования на эту тему продолжаются.

По-видимому, следует рассматривать эффекты восприятия как соотношение стимулов, смысл которых определяется в соответствии с предыдущим опытом и поведенческими реакциями. Обонятельная система демонстрирует необычайную гибкость в ответах и перцептивном выражении. Оценка стимулов чувствительна к малейшим изменениям воздействия и опыта, что влияет на интеграцию обонятельных сигналов в различных ситуациях, связанных с принятием решений. Все это также показывает, что вариации восприятия одного и того же физического стимула являются не недостатком сенсорного восприятия, а неотъемлемой частью системы обработки сигналов.

Психонейронная теория

В обонянии перцептивное пространство рассчитывается как опытное. Ощущение запаха выступает в роли динамической меры для оценки информации в конкретном контексте, в частности, в изменчивых смесях. Гибкие изменения фрагментов сигнальной информации возможны благодаря особой структуре обонятельных путей, включая распределенную комбинаторику рецепторов в эпителии (см. глава 6), отражение статистики внешних сигналов в луковице (см. глава 7) и индивидуальных вычислений на уровне нейронов (см. текущую главу). Именно так мозг измеряет окружающий мир с помощью носа. Понятно, что эти принципы кодирования находят отражение в восприятии запахов.

Что эти принципы обработки обонятельных сигналов означают для психологии? В главе 9 мы получим ответ на этот вопрос. Он основан на главных принципах обонятельного кодирования на уровне нейронов, о которых говорится в данной главе, и связывает их с психологическими механизмами: повторением и уточнением через наблюдение, обучение и память. Модель мозга как измерительного механизма связывает принципы активности нейронов с эффектами восприятия; здесь молекулярная наука соприкасается с чувствами.

Структура феноменологического опыта – восприятия мира – не может не зависеть от нейронной архитектуры, которая создает этот опыт. То, как работает разум, главным образом, отражает активность нейронов, но в то же время нейронные процессы связаны с нашими поведенческими реакциями на внешний мир.

Кей делает вывод: «Если думать об этом в терминах динамической системы, получается, что поведение служит аттрактором. Поведение привлекает систему к работе, а эмерджентный разум осуществляет обратную связь. Эмерджентные ментальные концепции или идеи влияют на активность на более низком уровне и организуют ее так, чтобы сформировать поведение. Поскольку эволюция оказывает давление не на нейроны, а на организм».

Глава 9. Восприятие как навык

Представьте, что вы участвуете в эксперименте. Перед вами два неразличимых по виду стакана. В обоих ароматическая смесь одинакового объема и цвета. Различаются только этикетки. На одной написано «пармезан», на другой – «рвотные массы». Покажется ли вам запах их содержимого одинаковым?

«Пармезан» звучит приятнее, чем «рвотные массы». Связанные с надписями образы относятся к разному опыту. Пармезан – еда, рвотные массы – грязь и источник болезни. Разные мысленные образы, разные впечатления и противоположное гедоническое значение. А если потом вам скажут, что эти два образца идентичны и содержат смесь масляной и валериановой кислот? Воспримете ли вы их по запаху одинаково или будете находиться под влиянием этикетки?

В 2001 году Рэйчел Герц и ее студентка Джулия фон Клеф проверили реакцию людей на пять пар идентичных запахов, представленных под разными названиями, и оценили, как влияет обозначение на восприятие запахов[363]. Кроме смеси масляной и валериановой кислот («рвотные массы» и «пармезан»), были представлены пачули («затхлый подвал» против «благовония»), хвойное масло («дезинфицирующий спрей» против «новогодней елки»), ментол («мятная конфета» против «сиропа от кашля») и лист фиалки («свежий огурец» против «плесени»). Ответы участников были совершенно очевидными. Большинство (83 %) считало, что запахи в парах были разными и соответствовали этикеткам. Также участники дружно придавали запахам в парах разное гедоническое значение в зависимости от того, приятной или неприятной была надпись.

Герц и фон Клеф представили свои результаты как доказательство того, что существует некая обонятельная «иллюзия». Понятие «иллюзия» многозначное. Одно из его значений – обман, то есть несоответсвие воспринимаемого и «истинного» состояния вещей. Герц ставил своей целью показать причинно-следственную связь контекста и содержания перцептивного опыта.

Контекст значим в классификации запахов. «Полностью, на сто процентов, – подтверждает Герц. – Это чрезвычайно гибкая система, и контекст играет критическую роль. Я говорю об иллюзии именно на этом уровне». Конечно же, контекст важен и для иллюзии в другом смысле слова. Герц упоминает об известной иллюзии Мюллера-Лайера (две стрелки одинакового размера кажутся разной длины, если концы у одной направлены внутрь, а у другой – наружу). «Стрелки с оперением внутрь или наружу – это контекст. В зависимости от направления оперения линия кажется длиннее или короче, хотя сами линии в обоих случаях одинаковые. Вербальный контекст – это своего рода оперение стрел. Я могу сделать смесь масляной и валериановой кислот рвотными массами или пармезаном в зависимости от условий. Я использую слова, чтобы изменить контекст. В иллюзии Мюллера-Лайера контекст меняется в зависимости от направления черточек, окружающих центральную линию».

Интуитивно кажется, что две смеси должны на практике иметь одинаковые качества, поскольку их физические свойства идентичны. Но какова «реальная» перцептивная суть масляной кислоты: что это – рвотные массы, сыр, и то и другое, или ни то и ни другое? Вообще говоря, запах масляной кислоты имеет такое же отношение к рвотным массам, как и к пармезану. Эта молекула обманчива с точки зрения происхождения. Она содержится в рвотных массах, в пармезане, а также в плодах гинкго или нони. Таким образом, общность сенсорного восприятия этих смесей возникает не на умозрительном уровне.

На умозрительном же уровне стимулы определяют разные материалы с разными качествами. Когнитивные процессы, такие как наполнение смыслом, формируют то значение физического сигнала, которое мы воспринимаем. Это субъективное проявление тесно переплетается с автоассоциативной структурой обонятельной коры, в которой происходит интеграция топографически широко распределенных сигналов (см. глава 8). Эти сигналы могут одновременно взаимодействовать с разными параллельными сигналами и образовывать перцептивные категории за счет нисходящего воздействия от более высоких когнитивных уровней, тем самым внося вклад в расхождение результатов восприятия.

Многие молекулы встречаются в самых разных условиях, в разной химической среде, и от этого в значительной степени меняется их информационное содержание и ценность. Не существует какого-то уникального «внутреннего смысла» или «репрезентативного концепта», закодированного в изолированных стимулах, которые можно было бы описать абстрактно вне контекста обонятельного опыта (см. главы 3 и 4). Человеческий мозг учится связывать стимулы с различными смыслами, обычно при помощи других сигналов (вербальных, зрительных и так далее). И мозг в зависимости от контекста способен «расшифровать» масляную кислоту как пармезан или как рвотные массы. «Совершенно верно, – соглашается Кристиан Марго. – Можно изменить запах с помощью опыта и контекста». Стивен Мангер отвечает: «Одна из вещей, на которую мы часто не обращаем внимания – это то, что мы по-разному воспринимаем запах в зависимости от опыта. Один и тот же запах может иметь разное значение в зависимости от вашей истории».

Окраска субъективности

Изменчивость обонятельного восприятия сильнее, чем у других систем чувств. Один и тот же запах может иметь разный смысл для разных людей и даже для одного человека. Большая вариабельность, казалось бы, указывает на субъективность обоняния, и из-за нее, возможно, трудно сформулировать его общую когнитивную теорию. Но в предыдущих главах мы наблюдали иную картину. Мы видели, что принципы кодирования и распределенное представление обонятельных сигналов обеспечивают несколько путей интеграции обонятельного сигнала (в частности, уже на периферии).

Информация от одного и того же физического стимула и о его свойствах обрабатываются разными, но параллельными путями, что изменяет ее интеграцию и, следовательно, поведенческое значение или концептуализацию. Это важнейшее условие для того, чтобы обоняние могло делать свою работу: облегчать гибкое и достаточно быстрое принятие поведенческих решений в непредсказуемом мире. Перцептивное содержание обонятельного опыта в большей степени зависит от контекста и условий воздействия, чем от однозначного распознавания определенных признаков предметов (как в зрительной системе).

Вариабельность – не то же самое, что субъективность. Последнее подразумевает отсутствие объективной меры. Однако вариации обонятельного восприятия – результат кодирования запаха (на уровне рецепторов) и вычислительных механизмов интеграции сигналов (в центральной нервной системе). Это объективное основание, чтобы изучать вариации как измеряемое проявление причинных факторов. Важно понять, что: 1) повышенная вариабельность обонятельных реакций отражает заложенные в системе принципы кодирования, и 2) различия в причинных основаниях и эффектах между системами чувств следует рассматривать на этом фоне. Вариации восприятия в обонянии – не отклонения, которые следует «оправдывать» субъективными искажениями. Это важнейший элемент функционирования системы.

Таким образом, запахи многозначны по своей природе. Обонятельные стимулы могут указывать на различные источники и взаимосвязи. Их перцептивное содержание определяется контекстом воздействия, но также требованиями и ограничениями системы. Чтобы понять вариабельность восприятия, заложенную в самой сути обоняния, важно учитывать, что существуют принципиально разные способы «прочтения» одних и тех же стимулов и их обработки в качестве информации совершенно не однородной (пища или яд, приятное или неприятное). Такая неоднозначность обонятельной системы вызывает вопрос: как разум придает запаху смысл?

Когнитивная карта запаха

Совсем не очевидно, что роза будет источать сладкий запах, если ее назвать по-другому. Восприятие запаха неоднозначно по своей природе. И как мы теперь знаем, неоднозначность означает концептуальную недоопределенность, а не неточность. Сама по себе обонятельная информация достаточно неопределенна в отношении ее экологического источника, биологического кодирования, нейронного представления, а также мысленного отображения. Это должно сказываться на анализе психологических механизмов, вовлеченных в когнитивное представление обонятельного опыта.

Образы запаха не закодированы в стимулах, они составляют ментальные картины, возникающие в результате классификации сенсорной информации. Какие процессы регулируют эту классификацию? В предыдущих главах мы в основном обращали внимание на физические принципы извлечения информации и ее распределения в системе. Они объясняют, почему модель, учитывающая только связь реакции на запах со структурой молекулы, сравнима с описанием видов исключительно по морфологическим признакам, а не по происхождению. Теперь следует спросить: каким образом мы умудряемся формировать различимые и воспроизводимые перцептивные категории, такие как роза, яблоко или моча?

Процесс категоризации требует перспективы или точки отсчета. Способность оценивать индивидуальный стимул в корне отлична от способности сравнивать между собой два или несколько стимулов. В 1956 году американский психолог Джордж Армитаж Миллер ввел понятия абсолютной и относительной дискриминации[364].

Абсолютная дискриминация – это способность идентифицировать изолированный стимул, например, когда вы указываете, что конкретное вещество имеет запах мяты, и описываете его растительным, прохладным и свежим. Задача относительной дискриминации в том, чтобы определить, являются ли два запаха одинаковыми или разными (или отличаются один или два стимула от третьего). В данном случае мозг измеряет воспринимаемое «расстояние» между стимулами. Самое малое расстояние между двумя стимулами (меньше которого они воспринимаются одинаковыми) называют «едва заметным различием», ЕЗР. Эти два процесса – абсолютная и относительная дискриминация – представляют собой суждения разного типа, основанные на субъективном восприятии, и имеют разную функцию и результат.

Люди очень хорошо справляются с задачей относительной дискриминации запахов. С тренировкой или без тренировки мы способны очень точно разделять запахи. Наш нос настроен на узнавание мельчайших различий – молекулярных и перцептивных.

Психофизические исследования по проверке дискриминации запахов показывают, что человеческий нос реагирует на элементы в чрезвычайно малом количестве и с очень малыми отличиями. Потрясающий пример – трихлоранизол (C_7H_5Cl_3O), ответственный за запах пробки в вине[365]. Некоторые люди могут обнаружить это вещество в количестве нескольких частей на триллион! У нас фантастическое обоняние.

На уровне определения молекул без концептуальных этикеток и подсказок человеческий нос чрезвычайно силен. «Позвольте рассказать вам, насколько чувствителен ваш нос, – комментирует Терри Экри. – Когда мы готовим стандартный раствор одоранта, нам приходится каждый раз делать новый [раствор], и он каждый раз пахнет иначе. Мы не можем приготовить два раствора одоранта с абсолютно одинаковым запахом».

Но с абсолютной дискриминацией дело обстоит сложнее. Без тренировки и без подсказки нам трудно идентифицировать запах. Вне контекста нам трудно описать или назвать даже знакомый запах. Более того, люди сильно расходятся в смысловых ассоциациях при восприятии запахов вне контекста. Эти различия в восприятии – отражение когнитивных условий, в которых мы приписываем запахам концептуальное содержание.

Вот пример. Психолог Трюгг Энген описывал случай из 1980-х годов[366]. «Крупная компания по производству ароматизированных напитков однажды по ошибке выпустила клубничный напиток с этикеткой для малинового и наоборот». Компания опасалась, что эта ошибка приведет к массовым жалобам покупателей. Не поступило ни одной. Никто не заметил ошибки. «Хотя эти ароматы различаются при сравнении, их легко спутать по отдельности». Это больше, чем анекдот. Билл Кейн и Бонни Поттс в 1996 году зарегистрировали аналогичное явление. Они проверяли, заметят ли участники эксперимента, что их образцы запаха тайком заменили другими[367]. Например, чеснок заменяли уксусом, апельсин – лаймом, а соевый соус – мелассой (свекловичной патокой). Участники попались на крючок! Они не смогли распознать, что образцы подменили.

Результаты озадачивают, учитывая высокую точность, которой мы достигаем в относительной дискриминации. «Это возвращает меня к моему опыту из обычной жизни, – подтверждает Эйвери Гилберт. – Я просил многих людей описать аромат, описать духи – одни или другие. Люди, которые соглашались это делать, сразу знали, что им нравится и что не нравится с точностью до десятых долей. Они говорили: это – на восемь с половиной, а это – на шесть и три десятых. И они были очень последовательны! Они находили очень тонкие различия, например: «Этот чуть более пряный». Они могут сказать, когда есть различия. Так что дискриминация происходит без усилий и очень точно».

С функциональной точки зрения относительная и абсолютная дискриминация различаются как яблоки и груши. Относительная дискриминация позволяет находить и измерять сенсорные изменения за счет различий; абсолютная дискриминация включает в себя оценку концептуального содержания, такого как свойства предмета, его тип или запах. Первый процесс заключается в сравнительной сенсорной оценке признаков, последний подразумевает когнитивное сопоставление стимула с предыдущим опытом. Абсолютная дискриминация связана с памятью.

Один из интересных аспектов наших в целом невысоких способностей к абсолютной обонятельной дискриминации в том, что возможно и обратное. То, что многие люди не могут осуществлять абсолютную дискриминацию, не указывает на отсутствие у человека когнитивных обонятельных способностей. Эксперты по запахам превосходно справляются с этой задачей: вспомните о парфюмерах, химиках или специалистах по дегустации вина и виски. Их навык получен в результате тщательного и многократного обучения за счет уточнения наблюдений и категоризации. Чтобы понять когнитивную способность человека в определении категорий запахов и то, как в ней отражаются физиологические механизмы, нужно познакомиться с экспертами.

Тайна носа эксперта

Экспертов тоже нередко привлекают к опытам. Выбор между новичком и экспертом зависит от цели и методологии эксперимента. Что вы хотите изучать? Исследуете ли вы статистически значимое поведение в повседневной жизни или детали специфического механизма, проверяете принцип или что-то другое? Некоторые варианты экспериментов дают более надежные и выраженные результаты при привлечении экспертов в качестве участников. Прекрасный пример – эксперимент Селига Хехта, Саймона Шлаера и Мориса Анри Пиренна, выполненный в 1942 году. Выяснилось, что рецепторы сетчатки улавливают единичные фотоны (хотя для получения четкого ответа порог сигнала выше)[368]. Примечательно, что первые данные об этом были получены в психофизическом эксперименте. И результаты были подтверждены физиологическим путем почти через сорок лет![369] Эксперимент был достаточно хитроумным и требовал от участников большой концентрации внимания (экспериментаторы работали по очереди): с неопытными и менее мотивированными участниками, такими как обычные студенты, он мог не получиться[370]. Вот почему нам следует также изучить экспертов, особенно по обонянию.

Сразу приходится признать, что эксперты не имеют каких-то невероятных носов, распознающих запахи, которые не встречаются в обычной жизни (как Жан-Батист Гренуй в романе Патрика Зюскинда «Парфюмер»). У экспертов по запахам нет скрытых генетических особенностей, позволяющих им чувствовать что-то недоступное среднему носу. Дело тут не в биологии.

Винодел Элисон Таузиет подтверждает: «Интересно, что когда я пробую вино вместе с людьми, они полагают, будто я знаю о запахах больше, чем они. Люди недооценивают свои способности». По мнению Таузиет, разница в практике проведения относительной и абсолютной дискриминации: «Если вы поставите перед людьми два разных предмета, они скажут, что это разные предметы. Я отличаюсь только тем, что у меня развит лексикон, связывающий предмет с запахом. Этот навык нужно развивать. Я думаю, каждый обнаружит в себе эту способность, если потренируется».

Эксперты занимаются активным обучением, что подразумевает направленное улучшение наблюдательной способности через когнитивный подход к запаху. Кристоф Лодамиель добавляет с точки зрения парфюмера: «У нас нет суперносов, но мы обращаем внимание на детали; это наша работа – распознавать множество запахов. Мы обращаем внимание. Мы распознаем то, что мы нюхаем. Мы знаем, как это описать, и знаем, как это составить».

Эта способность требует тренировки. Она требует внимания, когнитивного развития перцептивных навыков, а также времени. Она требует долгосрочного внимания к осознанной структуризации восприятия, а также достаточных знаний о материальных источниках запаха.

Гарри Фримонт из компании Firmenich оглядывается на собственный опыт и смеется: «Я сказал вам, что мне понадобилось двенадцать лет, чтобы привыкнуть к моей работе! И часть времени ушла на работу с этими веществами. Не только с точки зрения восприятия и вербального описания, но также понимания действия формулы. Я думаю, все это опыт».

Изучение способностей экспертов позволяет узнать нечто важное о мозге: обонятельный мозг очень пластичен. Он – прекрасная модель для изучения влияния индивидуального опыта и общей тренировки на обработку сигнала нейронами. Недавние исследования показали, что обонятельная тренировка приводит к значительным структурным изменениям в мозге[371].Иоганнес Фраснелли объясняет научный интерес: «Мы выполнили исследования, в которых увидели, что существует связь между элементами структуры некоторых отделов мозга, такими как толщина коры и слоя серого вещества в некоторых отделах обонятельного мозга, и способностью восприятия».

Глядя на результаты эксперимента, группа Фраснелли установила, что у людей с лучшими способностями к восприятию кора толще. Они также исследовали «людей, потерявших обоняние. И увидели, что у них сокращены эти центры». А что можно сказать о людях с врожденной аносмией? Отличается ли их обонятельная кора? «Мы провели исследования, в которых сравнили разные группы»[372]. Все группы имели различия в мозге. Но даны ли экспертам способности от природы? «Не в том ли дело, что они такими родились? Или это тренировки заставляют мозг изменяться?» Через некоторое время, в 2019 году, группа Фраснелли обнаружила, что всего шесть недель обонятельных тренировок приводят к изменению толщины коры «в области правой задней фронтальной извилины, двусторонней веретенообразной извилины и правой энторинальной коры»[373].

У чувства обоняния чрезвычайно высокий потенциал к развитию за счет направленного опыта. Несравненные способности носов экспертов основаны на общих процессах перцептивного обучения. Люди могут развить мощные аналитические навыки в восприятии и оценке запахов. Эксперты по обонянию отличаются от нетренированных обывателей тем, что умеют осмысленно структурировать процесс взаимодействия с сенсорными стимулами, который управляет их сложными перцептивными навыками[374]. Восприятие и познание отделены друг от друга лишь слабой проницаемой границей, которая устанавливается и переустанавливается за счет повторного опыта и практики.

Компетентность в восприятии как усиление наблюдательности

Эксперты внимательны. В частности, эксперты знают, как обращать внимание на что-то избирательно. Они не только знают, на что смотреть, но имеют расширенный каталог возможных опций, критериев и понятий, на основании которых делают выводы.

Посмотрите и послушайте, как работают парфюмеры или сомелье. Этот опыт прекрасно проиллюстрирован в фильме «Сомелье: На донышке»[375]. Документальный фильм 2015 года рассказывает о четырех сомелье, сдающих сложный профессиональный экзамен. Одна сцена хрестоматийная: мы видим, как сомелье Йен Кобл оценивает вино, произнося быстрые и непонятные комментарии[376]. Глядя на бокал с вином, он начинает говорить:

– Вино номер один – это белое вино, кристальное и яркое. Без признаков газа или осадка.

Кобл наклоняет стакан под углом сорок пять градусов и смотрит, как вино на кромке отражает свет.

– Вино светло-соломенного цвета с зеленым отливом по краям. Интенсивность цвета средняя.

Он на секунду останавливается, взбалтывает вино в бокале, нюхает и продолжает описывать его ортоназальные качества.

– Мы чувствуем запах леденцов из лайма, цедру лайма. Яблочное пюре.

Опять останавливается, взбалтывает вино, принюхивается.

– Незрелое манго. Незрелая дыня. Дынная кожура.

Нюхает.

– Зеленый ананас.

– Вкус.

Взбалтывает, делает маленький глоток, интенсивно ополаскивает вином рот, сплевывает.

– Вино очень сухое. Как толченый сланец, как толченый мел, как гравий.

Вновь смотрит на вино под углом сорок пять градусов.

– Чувствуется аромат белых цветов, свежесрезанных цветов, белых лилий, без признаков дуба.

Взбалтывает вино, опять нюхает.

– Что-то от только что открытой коробки с теннисными мячами и что-то от нового резинового шланга.

Пауза.

– Структура.

Еще один глоток, опять сплевывает.

– Кислотность средневысокая. Алкоголь средний. Сложность средневысокая.

Продолжает взбалтывать вино в бокале, который теперь стоит на столе, смотрит на цвет.

– Вывод: это вино из Нового Света, из зоны умеренного климата. Возможно, рислинг. Возможно, из Австралии. Возраст от одного до трех лет. Я думаю, это может быть только одно.

Последний раз принюхивается.

– Это австралийское вино. Из Южной Австралии. Это вино из долины Клер, две тысячи девятый год, рислинг, производитель высокого класса.

Кобл пришел к этому вердикту примерно за минуту. И был прав. Многим зрителям эта сцена приоткрыла окно в тайную субкультуру сомелье – в мир, который не очень похож на обычное потребление вина (и дело не только в том, что вино сплевывают в ведро). Почти невозможный специфический жаргон («что-то от только что открытой коробки с теннисными мячами и что-то от нового резинового шланга») заставляет остальных чувствовать себя совершенно посторонними.

Но эта сцена не о словах. Она важна для понимания перцептивных способностей Кобла. Забудьте о теннисных мячах и о резиновом шланге. Эти описания не объясняют свойства вина, но действуют как когнитивные рычаги в дедуктивном методе Кобла. Когда он говорит «без признаков дуба», это когнитивный указатель. Экри поясняет: «Вино не выдерживали в бочках, как принято для немецкого рислинга». Это вино «произведено в Австралии, в резервуарах из нержавеющей стали. Австралийский рислинг не пахнет дубом. А еще в нем есть гваякол, один из основных компонентов, – он смеется, – не резиновых, но пластиковых шлангов. Этот запах есть у лейкопластыря и у таких вещей, как теннисные мячи – у полимерных продуктов. Вы открываете коробку теннисных мячей и чувствуете этот запах, и рислинг может пахнуть или не пахнуть гваяколом в зависимости от того, как он сделан».

Посмотрите, что делает Кобл. Главная работа заключается в когнитивном отборе в ходе дедуктивной обработки информации: как Кобл структурирует серию перцептивных образов во время дегустации. Такие сомелье, как Кобл, учатся использовать когнитивную сетку, содержащую информацию о винах и их свойствах. Каждое вино, регион и год запоминаются в связи с их специфическими характеристиками. Похоже на обучение грамматике, лексике и семантике нового «когнитивного языка». Эта сетка с соответствующей лексикой действует как памятка для структурирования восприятия.

Если вы теперь пересмотрите сцену из фильма «Сомелье: На донышке», то сможете заметить несколько стратегических процедур. Дегустаторы начинают с того, что рассматривают бокал под углом сорок пять градусов, чтобы оценить его так называемую тельность. Если вино красное, скажем, ярко-красного цвета, возможно, это пино-нуар. А если белое вино имеет желтые тона, это может быть шардоне. Отражение света от поверхности вина, наличие тончайшей маслянистой пленки и другие видимые признаки составляют список свойств, позволяющих дегустатору получить первую общую гипотезу о том, что это за вино. По этой же причине любители вина взбалтывают его в бокале. Взбалтывание увеличивает поверхность жидкости и способствует высвобождению молекул запаха, раскрывая букет вина. Попробуйте так сделать. Налейте вино в бокал. Эффект особенно силен с краснымо вином. Сначала понюхайте вино, не взбалтывая. Затем взболтайте и снова понюхайте. Во второй раз вино гораздо ароматнее! Здесь нет никакой магии, а только химия и физика поверхностных явлений.

Перечисленный Коблом список ароматических свойств не был чрезмерным или бесконечным, в нем были обозначены три главных элемента: карамель из лайма, цедра лайма и яблочное пюре. Этот ограниченный набор ароматических нот соответствует пределу Лэйнга (см. глава 8). Экри, горячий сторонник идеи Лэйнга, вновь разъясняет смысл этого ограничения. Поначалу Лэйнг «использовал отдельные компоненты, чтобы проверить, могут ли люди распознать эти компоненты в смеси. Я думаю, им давали от одного до пяти веществ из семи… и обучали обозначать словами каждое из семи веществ». Но ключ к пониманию предела Лэйнга не в этом.

«Затем Лэйнг воспроизвел весь эксперимент, обучая людей распознавать смеси химических веществ в натуральных продуктах. Как в экстракте лилии, бергамота или Rosa damascena. Они должны были называть соответствующие смеси. А затем он смешал эти смеси – и получил тот же самый результат! Люди могли распознать лишь две или три такие смеси в общей. Подумайте, что это значит. Мы уже говорим не об индивидуальных компонентах, а о картинах химических компонентов». Экри подчеркивает, что «при смешивании компоненты создают совсем другие картины, и все же сомелье способны распознать и ту и эту картину… но лишь две или три из них. Вот почему я считаю, что стоит говорить не о формировании, а об узнавании образа».

В фильме Кобл искал узнаваемые картины, совпадающие с хранящимися в его памяти профилями винных ароматов. Три найденных им категории создали предварительный диапазон профилей, которые он уточнял, подбираясь к более точным характеристикам вина. Далее он применил дерево принятия решений с привлечением соседних качественных признаков для анализа профиля вина: незрелое манго, незрелая дыня, дынная кожура. Это метод повторяющейся оценки и спецификации. Кобл прошел этот путь и зафиксировал оттенок зеленого ананаса (в соответствии с зародившейся в его голове гипотезой). Экри поясняет: «Здесь есть яблоки, манго и, как он говорит, яблочное пюре и незрелое манго, так? Дынная кожура и ананас. Все вещества – яблоко, манго, дыня и ананас – содержат в своей летучей смеси высокую концентрацию этилгексаноата. В сочетании с другими компонентами этилгексаноат может создавать образ любого из этих трех или четырех продуктов. Если у вас есть набор ключевых одорантов, скажем, семи или девяти… в определенном сочетании они могут образовывать то, что называется группой. Часть общей картины. И эта часть имеет собственные характеристики. Если у вас вино, в котором девять ключевых одорантов, составляющих ароматический спектр напитка, и вы его нюхаете, ваш мозг отбирает три из них и создает образ запаха для этих трех составляющих. Он может ухватить три другие компонента и прийти к другим образам запаха. Или еще три другие – и вновь получить другой образ».

«Именно это происходит, когда сомелье… когда эти ребята нюхают вино. Они чувствуют запах лилий, они чувствуют запах роз, они чувствуют запах теннисных мячей». Экри изобразил это (рис. 9.1). «Они берут подгруппу запахов и рассматривают ее как репрезентативное отображение определенного образа. Вот почему у вас могут быть перекрывающиеся образы для одной смеси. Процесс дедуктивного анализа запаха заключается не в выявлении химических компонентов – это поиск перцептивных компонентов или перцептивных картин. В сущности, это как выбирать слова из предложения… чтобы составить другое предложение. Это «Скраббл», игра в слова, в которой вы составляете из букв не только слова, но и сложные конструкции как das Fingerspitzengefühl[377]. – Он смеется. – Может быть, запах действительно был придуман немецким химиком!»

Дегустация вина основана на дедуктивном восприятии. После ортоназального анализа запаха Кобл дважды проверяет возникшую у него гипотезу о типе рислинга. Переключаясь с обонятельного ощущения на другую модальность и описывая ощущение во рту и кислотность, Кобл анализирует свое постоянно уточняющееся предположение о типе вина. Теперь он рассматривает возможные варианты и начинает их исключать, пробуя и проверяя свои наблюдения относительно обонятельных характеристик вина (вы видите, как он взбалтывает и вновь нюхает вино). Эта сцена из фильма описывает сложную процедуру принятия решений на основании опыта в разных модальностях. Кобл многократно уточняет наблюдения на нескольких уровнях через перцептивное взаимодействие со стимулом (вином).

РИС. 9.1. Перцептивные подгруппы и перекрывание химических групп. Иллюстрация ароматической картины рислинга, как описано в фильме «Сомелье: На донышке», изображающая корреляцию между восприятием и химическим профилем (объяснение в тексте). Источник: рисунок Тьерри Экри, печатается с разрешения.

И это только один метод. При анализе сути компетентности не так важна специфическая структура сетки, которая различается в разных школах. На самом деле весь процесс сводится к структурированию восприятия через когнитивную систему. Таузиет объясняет: «Я нюхаю и пробую в целом, а потом… сужаю выбор. Если у вас есть что-то очень спелое, как немного переспевшие фрукты или черные ягоды, вы знаете, что находитесь в теплом климате. Если на вкус вы ощущаете много кислоты (по сравнению с низкой кислотностью)… это тоже говорит о температуре. Начинает вырисовываться, в какой части мира мог быть выращен виноград. Свежесть или выделение пузырьков воздуха говорят о временном диапазоне. А затем… возможно, вы можете подумать о конкретном годе урожая, потому что была такая погода, или о другом годе, потому что была другая погода. Так что у меня есть несколько путей, чтобы, глядя на вино, понять, в какой части света я нахожусь. Так я подбираюсь к тому, чтобы понять “где” и “когда”».

Обонятельный опыт показывает, что восприятие имеет несколько слоев. Сенсорная сложность обонятельных стимулов доступна не сразу. Подход к ней осуществляется через избирательное и повторяющееся внимание. Перцептивная компетентность требует уточнения за счет сосредоточенного наблюдения. Этот навык строится на оценке разных измерений, формирующей содержание и структуру обонятельного опыта эксперта. Наиболее важны с этой точки зрения два аспекта обонятельного обучения. Для улучшения наблюдательности и формирования перцептивного содержания обычного и экспертного восприятия важно учитывать терминологию и сферу деятельности.

Терминология как инструмент познания

Эксперты осваивают лексику, чтобы формулировать наблюдения, связывая свои ощущения с сеткой воспоминаний о предыдущем опыте. Это инструмент или когнитивный рычаг для структурирования, закрепления, направления и сдвига внимания. Это означает, что важен не выбор слов или описаний, а само их использование, сама речь.

Лексика для описания запахов общая. Язык экспертов, как любой язык, предназначен для передачи категорий или абстрактного содержания, а также субъективных ощущений. Это постоянное обсуждение, при котором контекстуальный обонятельный опыт включается в более широкий когнитивный ландшафт, и не только индивидуальный, но и групповой. Лодамиель замечает: «Парфюмеры заучивают термины во время тренировок. Мы часто вводим новые слова, не каждый день, но часто, поскольку у нас все время появляются новые запахи, которые мы должны описывать. Нам нравится, чтобы другие видели, что мы видим или чувствуем. Если я чувствую это во Франции, я хочу, чтобы парфюмер в Нью-Йорке мог увидеть часть того, что вижу я».

Коммуникация как речевое действие основана на соглашениях и договоренностях. Специфика описаний может различаться, хотя некие стандарты существуют. Эти стандарты зависят от уровня знаний и опыта (освоили ли вы азы, есть ли у вас какое-то химическое образование), контекста применения (с кем вы говорите, какова цель беседы), а также других прагматических факторов. Допустим, вы хотите научиться идентифицировать и описывать аромат вина. Вы можете купить наборы для дегустации вина, чтобы самостоятельно научиться распознавать около пятидесяти ароматов, обычно встречающихся у красных и белых вин, и уметь связывать аромат с этикеткой по классической схеме. Вы также можете приобрести начальный набор обонятельных знаний с помощью так называемого колеса ароматов. На таком колесе отражен набор первичных ароматических свойств, организованных в виде кольца, для специфического круга вещей: ароматы красного вина, белого вина, виски, бренди, пива и конопли. На самом деле сегодня существуют такие колеса почти для всего на свете, даже для сточных вод[378].

Возникновение колеса винных ароматов связано с именем Энн Нобл, которая придумала его в 1984 году в Калифорнийском университете в Дейвисе[379]. Нобл рассказывает, как появилась эта идея: «Проблема в том, что у нас не было терминологии, поскольку большинство людей не думают об окружающем мире через описание его запахов». Нобл хотела дать людям инструмент для доступа к тому, что они не умели описывать. «Я в то время преподавала, – продолжает она, – и работала, в частности, по методу так называемого дескриптивного анализа, когда нужно описать слова, которые описывают свойство. Вы можете делать это в отношении аромата, текстуры, вкуса, ощущения во рту и так далее. Вы находите специфические слова, которые описывают качества. В отношении вина это в первую очередь аромат, вкус и ощущение во рту. Я учила студентов подбирать слова и, конечно, при этом училась сама. Я всегда использую физические стандарты, чтобы люди могли понюхать и сказать: «О, да, это ананас. А это узнаете? Это гвоздика, а это корица». Или: «Это ананас, а это белый перец, и именно это я чувствую в вине». Это быстрый способ обучения, когда вы связываете то или иное описание с тем или иным ароматом». Колесо Нобл совершило прорыв, оно дало больше, чем описание. Оно дало этикетки со стандартами для сравнения, которые вы можете приобрести в любом супермаркете (черника, розмарин, гвоздика и так далее). Кроме того, колесо Нобл появилось именно тогда, когда в Калифорнии активно начало развиваться виноделие.

Парфюмеры используют аналогичное колесо ароматов. Пример – колесо ароматов Майкла Эдвардса; после первого появления в 1983 году оно было несколько раз модифицировано[380]. В колесе Эдвардса отражен набор основных ароматов: «цветочный», «восточный», «древесный», «свежий» и «фужерный» (от французского слова fougère – папоротник, для обозначения таких ароматов, как лаванда, ветивер, герань, кумарин, бергамот и лишайник). Эти категории разбиты на подгруппы, такие как «сухое дерево» и «мокрое дерево». Гардер в компании Haarman&Reimer, компания Givaudan и другие создали свои колеса ароматов[381]. Конечно, для профессиональных парфюмеров эти колеса слишком примитивны, но они помогают в общении с покупателями. Вообще говоря, в специфических областях производства ароматов работают эксперты разного рода. Кроме парфюмеров большие компании вроде Firmenich или Givaudan привлекают химиков, продавцов, маркетологов и людей многих других специальностей, задействованных в создании, выпуске и продаже духов и других ароматических продуктов[382]. Эти специальности требуют разнообразных знаний и лексики в зависимости от задач и уровня подготовки. Для получения конечного продукта специалисты разного профиля должны иметь возможность общаться.

Мэтт Роджерс из отдела нейробиологических исследований компании Firmenich описывает основную структуру таких больших предприятий: «Это важный вопрос, поскольку процесс фрагментированный, и я подозреваю, что такая же ситуация наблюдается в любом производстве. Представьте, что конечный продукт – аромат для шампуня. Сюда входит множество вещей. Поэтому должен быть отдел исследований и разработки, определяющий компоненты, которые будут характеризовать продукт. Они также должны создать технологию, которая поможет его отличать, например, сделать более насыщенным, чтобы вы сразу ощущали интенсивный запах, когда открываете флакон. За всем стоит технология. Но это только начало. Затем, если речь не идет о поиске новинок, в дело вступают специалисты по техническому развитию, которые получают запросы от клиентов: нам нужен такой-то запах с такими-то возможностями. И в группе технического развития должны быть парфюмеры. Но эти люди из отдела разработки ароматов – не классические парфюмеры. Их задача – создать аромат, который потом будет одобрен парфюмером или группой парфюмеров».

Фримонт, тоже из компании Firmenich, объясняет с точки зрения парфюмера. Когда дело доходит до оценки продукта, люди описывают «глобальную картину того, что чувствуют, и выражают свои ощущения: «Да, мне нравится запах, он очень свежий, но, возможно, недостаточно сочный». Иногда при оценке произносятся названия ингредиентов, но очень часто хорошие специалисты используют более общие термины, которые будут интерпретированы парфюмерами: «Он рыхлый, или он недостаточно мягкий, или он слишком сладкий, или он слишком тяжелый, или он слишком разбавленный, или он слишком растительный, или он недостаточно свежий, или слишком цитрусовый» и так далее. – Фримонт откидывается назад. – Парфюмер обдумывает все это. Поскольку мы работаем не в вакууме. Во-первых, у нас есть запрос от клиента. Наша работа как парфюмеров заключается в передаче стиля жизни, эмоций, цвета – всего. Очень часто нам поступают запросы от специфических брендов. Эти бренды обычно имеют какие-то известные атрибуты, если хотите, ДНК, которые необходимо интегрировать. Например, поступает заказ на создание спортивного аромата, современного и тому подобное. Нас снабжают различной информацией… подборкой фотографий или видео дизайна. Может быть, показывают последнюю коллекцию. Мы как парфюмеры пытаемся интерпретировать это в своих идеях».

Наконец, язык экспертов по запахам, как и любой другой язык, усваивается в результате обучения. Он начинается с азов, а потом становится все более специализированным и совершенным. Его использование соответствует общим правилам речи. Как именно эксперты используют язык для обучения и практики?

Формирование перцептивных навыков

Принципы коммуникации иногда представляют в виде треугольника, связывающего символ (слово или знак, семиотику), определяемый объект (то, что обозначает символ) и их мысленный образ (общее представление, семантику). Этот треугольник, предложенный в начале XX века французским лингвистом Фердинандом де Соссюром, в упрощенном виде отражает элементы речевого процесса без учета прагматики и контекста[383]. Треугольник Соссюра интуитивно понятен как минимум для того, что можно увидеть. Например, для описания цвета существуют такие слова, как «красный» / «red» / «rouge» / «rot», связанные с референтом (определенной частью электромагнитного спектра, примерно 700–635 нм) и мысленным представлением (красный цвет как категория восприятия). Конечно, цветовое зрение и речь устроены сложнее, но этот простой пример отражает суть идеи.

Терминология обоняния более сложная, что подтверждают нейробиолог Кэтрин Роуби и лингвист Даниэль Дюбуа[384]. Рассмотрим, например, запах розы. Каков его референт? Обонятельные стимулы, как дальние, так и ближние, не так дискретны и единообразны, как зрительные или слуховые. Не существует «молекулы розы» или свойства «розовости». Парфюмер Жан-Клод Эллена писал, что поиски некоего «знака розы» кажутся «наивной затеей, если знать, что запах розы включает в себя сотни разных молекул, и ни одна из них не обладает ее запахом. До сих пор не найдена “молекула розы”, но установлено, что запахи цветов имеют биологические циклы, и их состав может значительно изменяться, не теряя при этом своей идентичности»[385].

Речь как когнитивный инструмент помогает влиять на восприятие через внимание. Разум использует этот инструмент, чтобы структурировать, фокусировать и пересматривать доступ к тому, что воспринимается. Это происходит при тренировке обоняния, когда формируется перцептивный опыт. Восприятие зависит от опыта и обучения. В этом контексте внимание играет чрезвычайно важную роль. А язык обеспечивает матрицу, с помощью которой можно «привлечь внимание мозга» к конкретным вещам как к эталонным признакам для распознавания картин в будущем.

Именно с этого начинается настоящая обонятельная компетентность. Навыки и способность к восприятию у парфюмера не объясняются знанием названий ключевых одорантов. Важнейшее требование для работы парфюмера – систематическая тренировка и расширение понимания того, как вещества вызывают перцептивные ощущения. Сюда относится знание химических свойств, поведения смесей и связей между веществами. Фримонт соглашается: «Это большая работа, но это не означает, что если вы запомните все ингредиенты, вы тоже станете хорошим парфюмером. Честно говоря, гораздо важнее знать, какой эффект произведут эти ингредиенты в конкретной формуле». Таким образом, запоминание ключевых одорантов позволяет «зафиксировать в мозге» многие распространенные элементы, необходимые для тренировки в распознавании образов, такие как взаимодействие материалов, их возможные сочетания и вероятные эффекты. Лодамиель подтверждает: «Мы очень хорошо умеем распознавать образы».

Распознавание образов строится на нескольких уровнях. Существует набор веществ и заученный репертуар их взаимодействий. Известно, что некоторые компоненты в смесях вызывают специфическое действие, которое нельзя объяснить просто суммированием свойств отдельных веществ. В парфюмерии целое всегда больше, чем сумма частей. Лодамиель приводит пример: «Что вы скажете о черных оливках? Черные оливки – это жженая резина и дерево». Приобретенные знания об активно смешивающихся веществах и о составлении наборов простых формул или сочетаний компонентов позволяют анализировать итоговые смеси. Фримонт приводит другой пример: «Один раз кто-то принес продукт под названием «Black Citrus». Это был гель для душа. Но я сказал, что это «Light Blue» с вот этой нотой. Они проверили, и оказалось, что это именно оно. Я узнал сочетание ингредиентов».

Кроме знаний о наборе веществ требуется тренироваться в составлении ассоциаций. Ассоциации подразумевают связи: связи одних веществ с другими, веществ с идеями и идей с другими идеями, но с учетом перцептивных возможностей людей. Лодамиель рассказывает, что иногда «возникают ассоциации между тем, что не близко ни по составу, ни по теме, ни по идее, ни по образу. Они кажутся несвязанными, и раньше вы никогда не видели между ними зависимости. Но поскольку вы обучались чему-то, вы видите новые образы с новыми понятиями. Мы очень хорошо умеем это делать». Формирование таких ассоциаций в восприятии – часть процесса обучения; они сочетают высокоспециализированный концептуально-вещественный опыт с активным личным участием.

Успешное обучение и общение основаны на распознавании информации на разных уровнях: 1) видимых и невидимых веществ; 2) нашего собственного опыта в прошлом и настоящем; 3) приобретенной компетенции, связывающей первые два уровня. Это возвращает нас к треугольнику Соссюра, но с некоторыми изменениями (рис. 9.2).

Использование речи как когнитивного инструмента для накопления экспертного опыта означает объединение разных уровней когнитивной активности. Во-первых, на уровне концептуальных знаний (представления) существует временной разрыв между ранее закодированной и ныне поступающей информацией; на этом уровне память и понятийные рамки позволяют сравнивать разный опыт и определять его как одинаковый, похожий или связанный какой-то другой формой сходства. Во-вторых, это материальный уровень (референт), на котором важно разделять данный стимул и ранее встреченный источник запаха, поскольку источниками стимула могут быть как макрообъекты, так и сосуды с одорантами. В последнем случае сосуд может содержать разные одоранты из одной и той же ментальной категории, скажем, каприловый альдегид (альдегид C8) или каприлацетат (C_10H_20O_2) для «запаха апельсина». Наконец, когда речь идет о названии (символе), уровень сложности тоже может быть разным. Парфюмер знает как общее название и категорию (роза, цветочный запах), так и химическое вещество (например, фенилэтиловый спирт) и даже, возможно, распространенные продукты, в которых встречается этот запах (например, для характерного перцептивного образа или картинки).

РИС. 9.2. Лингвистическая размерность запаха. Треугольник Фердинанда де Соссюра иллюстрирует связь между концептом (качеством запаха), референтом (источник запаха) и обозначением или символом (название запаха). Источник: приводится с модификациями в соответствии со статьей D. Dubois and C. Rouby, Names and Categories for Odors: The Veridical Label, in Olfaction, Taste, and Cognition, ed. C. Rouby et al. (Cambridge: Cambridge University Press, 2002), 47–66, рис. 4.2, https: //doi.org/10.1017/CBO9780511546389.009

Соединение этих уровней – повторяющийся процесс, в котором в растущий когнитивный ландшафт постепенно добавляются новые термины, материалы и образы. Освоение языка запахов требует еще и направленного наблюдения, определяющего восприятие.

Освоение обонятельной терминологии происходит благодаря двум основным типам когнитивных процессов: приобретению знаний о связи между названием и материальным референтом и распознаванию перцептивного содержания в соответствии с идеей или ментальной категорией. Приобретение знаний – это лингвистическая способность, не требующая создания воспринимаемого образа, это просто лексический опыт. Например, парфюмер знает, что слово «нерол» означает монотерпен с химической формулой C_10H_18O. Теперь вы тоже это знаете, даже не нюхая нерола. А далее перцептивное содержание распознается в соответствии с идеей или мысленной категорией, например, когда вам дают понюхать нерол (а, так вот он какой, этот нерол!) Конечно, эти два процесса связаны и усиливают друг друга. В первую очередь, их скрепляет наша психолингвистическая способность называть ощущения и обучаться использовать их в специфическом контексте, например, в парфюмерии (термин T описывает одорант O, обычно связанный с видимым материальным источником S). И для поддержания этой связи мы используем психологический процесс распознавания уже усвоенного перцептивного содержания и его ассоциации с достаточно сходным контекстом или категорией.

Изучение обонятельного обучения показывает, что восприятие и познание не полностью разделены, на практике они связаны. Не следует думать, что чувственное восприятие обеспечивает лишь «конкретный стимул», а чувственные ощущения лишь поставляют мозгу данные для последующей обработки. Мозг активно анализирует тип получаемой чувственной информации, а опыт определяет когнитивное пространство, как линзы, структурирующие наши наблюдения. (Таким образом, восприятие и познание не полностью идентичны, но понять их удается лишь в паре.)

Эксперты по обонянию, по-видимому, извлекают из запахов больше информации; она включает в себя сложные качественные признаки, различия и ассоциации, которые возникают в результате обучения на опыте. Уточняя наблюдения, они помогают формировать перцептивные образы и категории запахов. Вот почему компетентность в восприятии зависит от сферы деятельности. Винодел и парфюмер чувствуют мир запахов по-разному.

Компетентность восприятия определяется сферой деятельности

В обонянии примечателен широкий диапазон профессиональных знаний, насколько разнятся концептуальные категории и насколько сильно сфера деятельности определяет восприятие. Обонятельная специализация выходит за пределы навыков, полученных только при помощи носа и его тренировки. Она подразумевает наличие и других. Практика в виноделии – не то же самое, что практика в парфюмерии. Люди этих специальностей интересуются разными вещами, и процесс познания материи для них разный: как баскетболист не обязательно хорошо играет в бейсбол только потому, что оба вида спорта требуют физической тренировки и умения обращаться с мячом. Йонас Олофссон соглашается: «Если вы выводите экспертов из их привычного поля деятельности к таким запахам, распознавать которые они не тренировались, очевидно, что их возможности сокращаются. Их эффективность будет почти такой же, как у обычных людей с хорошим обонянием. Компетентность в значительной степени зависит от конкретного формата подготовки, особенностей терминологии и пространства стимулов, с которым они имеют дело».

В работе «Не все знания о запахах одинаковы» («Not All Flavor Expertise Is Equal»), опубликованной в 2016 году, Илья Кройманс и Азифа Маджид изучали различия носов экспертов по возможностям восприятия. Кройманс и Маджид исследовали три группы людей: дегустаторов вина, дегустаторов кофе и людей без специальной подготовки. Представителей трех групп просили оценивать запах кофе и вина. Специалисты по вину превзошли экспертов по кофе и неподготовленных участников в идентификации и обозначении винных ароматов. (Интересно, что специалисты по кофе не победили в обозначении и идентификации ароматов кофе ни тех, ни других, хотя точнее составляли описания.) Специалисты из других сфер имели лишь скромное преимущество по сравнению с неподготовленными людьми. Если ты профессионал в одной области, это не означает, что ты автоматически успешен в другой узкой области. Результаты Кройманса и Маджид показывают, что концептуальное понимание свойств запаха очень сильно зависит от контекста, так что компетентность в области обоняния привязана к конкретной сфере использования.

Расхождения в обонятельных навыках не должны удивлять. Специалисты по разным запахам активно работают со структурой и содержанием своего обонятельного восприятия через конкретные требования профессии: на что их мозг обращает внимание, и как он тренируется обращать внимание.

Фримонт комментирует несовпадение в обонятельной компетентности. Он парфюмер, и его всегда восхищала работа виноделов. По его мнению, главный мотив для формирования обонятельных навыков и различия в эффективности восприятия у специалистов связаны с их взаимодействием с ароматическими материалами. Оно зависит от возможности манипулировать материалом и контролировать его. «Что касается вина, вы же не знаете, каким будет сезон. Вы не знаете, насколько холодно будет или насколько влажно. Вы не знаете, когда созреет виноград. И поэтому возникают колебания. В зависимости от года одно и то же вино может быть совсем разным. Потом, как я понимаю, очень трудно влиять на параметры бочки. Условия в бочке не обязательно будут такими же, как в прошлый раз». Напротив, в парфюмерии контроль и стабильность материалов более высокие. «В парфюмерии мы можем контролировать качество всех материалов. Возможны вариации некоторых природных продуктов, но мы пытаемся контролировать отклонения, смешивая материалы из разных источников. Так что качество выравнивается. Молекулы по идее всегда должны быть одинаковыми. И вы решаете только, как аромат должен стареть, поскольку это очень важно».

Эксперты по вину знают, как выделить и опознать отдельные ноты в сложном винном аромате. Они знают ароматический профиль вин, с которыми работают. Напротив, парфюмер не рассматривает профиль продукта, а рассуждает скорее об элементарных составляющих эффекта и о том, как достичь этого эффекта с помощью специфических ингредиентов.

Таузиет приводит пример: «Когда я работала с молодой женщиной, которая создавала духи, вдохновившись нашими винами, я объясняла ей, что чувствую в этих винах: лавровый лист, шалфей сухой и свежий, и все такое. И она попыталась включить это в состав, в конктретное химическое соединение, поскольку она создавала формулу, расщепляя ее для меня».

Виноделы рассуждают о вине и его свойствах в общем контексте. Ноты изюма могут быть признаком жаркой волны и, например, указывать на конкретный год урожая для данного участка. А парфюмеры мыслят формулами, и это совсем другое дело. Формула духов выглядит как список компонентов и их пропорций: что к чему добавляют и в каком количестве. Эти формулы обычно запатентованы. Другие эксперты знают, как их читать. Это похоже на хитроумный код. Когда вы смотрите на список, ваш мозг не может ухватить то, что научился видеть парфюмер. Все равно что сказать: «книга состоит из слов». Это можно сравнить с алгоритмом, с музыкальной партитурой, с рентгеновским снимком или изображением мозга, для чтения которых требуются концептуальные знания.

В формулах кроется понимание того, как они влияют на производимый эффект. Они помогают парфюмерам отмечать и характеризовать тончайшие связи между материей и ее изменчивым восприятием. И в ответе, как обычно, нет фиксированной карты, в том числе потому, что в формулах есть неизвестные.

«Когда у вас есть формула, она часто сложная», – комментирует Лодамиель.

«В формуле спрятано то, что несет определенную функцию. Ваша формула ведет себя некоторым образом. Если вы принимаетесь «причесывать» ее, что-то удалять или добавлять… при разработке вдруг возникает нота, которой вы раньше не видели. Вот в формуле дерево, ваниль и цитрус. Все было хорошо, но вы что-то добавили, и теперь чувствуете только ваниль и цитрус. Или проявляются ваниль, цитрус, лилии, и все вместе пахнет отвратительно. Это было в смеси и раньше, но не проявлялось в запахе. Даже если я скажу вам, что оно здесь есть, вы его не ощутите. Но теперь я меняю что-то в формуле, и оно выскакивает. Это может быть компонент, а может быть эффект. Если эффект, то это ужасно, поскольку вы не знаете, откуда он берется! Что это? Кофе, лимон, ваниль? Вы не знаете, поскольку никогда раньше не смешивали эти вещества и не знаете, что так пахнет».

Парфюмеры ссоединяют вещества. Они ищут сочетания ингредиентов, добавляя, удаляя, уравновешивая. Опыт помогает им знать или предвидеть, какие сочетания химических веществ могут вызвать ощущение, отличное от ощущения от отдельных компонентов. И наоборот, приобретенные знания также способствуют распознаванию образов, помогая идентифицировать элементы в сложной смеси. Возвращаясь к анализу вина Коблом, описанному выше: экспертов по вину и парфюмерии объединяет навык распознавать образы.

Когнитивная структура обонятельного опыта

В некоторых системах чувств, например, зрении, перцептивные категории формируются в раннем детстве и сравнительно легко. Они кажутся простыми и очевидными. Другие сенсорные сигналы, особенно обонятельные, труднее классифицировать. Это связано с широким распределением и неоднозначностью кодирования сигналов (см. главы 5–8). Смысл обонятельных сигналов зависит от умения связывать их с новыми или существующими категориями с помощью вспомогательных сигналов (перекрестной модальности, семантики).

Такие ассоциации заучиваются. Обучение способствует развитию того, что Герман фон Гельмгольц в своей когнитивной теории восприятия называл «бессознательным умозаключением», то есть формирующимся за счет неосознанных процессов обработки сигнала. Такие умозаключения складываются на основе предыдущего опыта и воспоминаний, немедленно соотносятся с текущими ожиданиями и направляют последующие процессы. С этой точки зрения бессознательные умозаключения превращаются в обусловленные ответы сенсорной системы. (Идея Гельмгольца – предшественник идеи «предсказательного мозга» в современной когнитивной нейробиологии, см. глава 8.)

В таком контексте восприятие включает в себя суждение, а не является непосредственным ощущением. Оно составляет привычную картину реакции, неотделимую от прошлого и настоящего опыта. Роль неосознанных влияний как таковых обнаружить нельзя. Наш мозг не может самостоятельно отделить сенсорное содержание восприятия от истории собственного опыта.

Как у людей возникают сравнительно стойкие и соразмерные перцептивные образы? Здесь работают два фактора:

1. Наши тела и системы чувств настроены на сопоставимые характеристики; они находятся в одинаковом физиологическом состоянии, в каком-то смысле занимают схожие познавательные ниши или среды.

2. Мы живем не в изоляции: мы социальные существа, мы учимся обращаться с вещами и сообщать о них, будучи частью социума на нескольких уровнях (семья, группы по интересам, сообщества и так далее). Такая приобретенная способность делать выводы не задумываясь не требует самоанализа.

То, что восприятие неотделимо от процесса освоения, не означает, что его нельзя изменить. В конце концов профессиональный опыт – это результат направленных усилий и внимания. Но приобретение когнитивных навыков экспертами по восприятию, такими как парфюмеры и виноделы, во многом отличается от обучения новичков. Когнитивист Йон Уиллитс, изучающий семантическое развитие и приобретение знаний, подчеркивает это различие. Эксперты тренируются под руководством специалистов, с особыми целями и условиями. Используемые ими категории – это концепции, перенятые от других экспертов, а когнитивная структура помогает совершенствовать восприятие. Новички осваивают все самостоятельно и без определенных задач, их категории опосредованы окружением и являются частью общего потока информации, а не выделенных сигналов, а структура познаваемого вторична по отношению к восприятию[386].

Таким образом, познавательный процесс у экспертов различается в зависимости от стратегии обучения и способа выстраивания умозрительных связей. Тренировки у специалистов выстроены не случайным образом, в отличие от тренировок у начинающих. Они практикуются формировать концептуальные представления и перцептивные категории для разных материалов. Их классы и критерии сравнения индивидуальны для конкретных задач. И как мы видели ранее, то же относится к компетентности и материалу, с которым они работают, поскольку специалистыпо-разному акцентируют внимание на тех или иных параметрах.

Разнообразие в смысловом пространстве профессионального восприятия возникает из-за кластерного обучения[387]. Ни эксперты, ни новички не приобретают обонятельные навыки и каталоги перцептивных образов в изоляции. Способности к восприятию у тех, кто не тренировался специально, сильно отличаются из-за отсутствия структуры при усвоении категорий обонятельных образов. Мы знакомимся с запахами случайным образом, часто вольно ассоциируем их с объектами, нас окружающими (еда, городские ароматы, сады и так далее.) Мы едва ли обучаемся различать запахи как таковые. Эксперты, напротив, специально тренируются связывать запахи с классами образов; если они работают в одной и той же сфере, их результаты меньше различаются между собой. Конечно, индивидуальные колебания возможны и от специалиста к специалисту (как личные отзывы при дегустации вина). Такие вариации отражают индивидуальные различия в тренировке и терминологических договоренностях, однако общая когнитивная структура и создание профиля обонятельных образов с помощью речи схожи. Это справедливо настолько, что сомелье независимо друг от друга правильно определяют одно и то же вино.

Причина более высокой стабильности в специфических областях распознавания запахов в том, что в основе подготовки экспертов лежит модель структурированного восприятия. Кластерное обучение начинается с определения и связывания классификаторов и элементов (основных категорий и наборов эталонных одорантов) и продолжается систематизацией разных кластеров по отношению друг к другу. Общий процесс обучения построен на создании связей: новые материалы и понятия соотносят с уже усвоенными группами, постепенно наполняя смысловое пространство специалиста. Обучение экспертов отличается потому, что оно проходит под наблюдением и основано на процедурах и договоренностях, зависящих от конкретной задачи. Так что основные процессы одни и те же, но инструменты разные, что влияет на дальнейшие результаты.

Структура восприятия у профессионалов значительно отличается от таковой у обычных людей, поскольку у них иначе происходят процессы перцептивного суждения. Это проявляется двояко. Во-первых, у специалистов идет усложнение воспринимаемого пространства и его разбиение на концептуальные кластеры с взаимосвязями между материалами и качественными особенностями. Например, парфюмер запомнил набор ароматов с апельсиновыми нотами, таких как каприловый альдегид (альдегид C8) и каприлацетат (C_10H_20O_2). Этот парфюмер отличает запах каприлацетата больше чем по одному общему и популярному признаку («фруктовый» или «апельсиновый») и способен проанализировать его характер гораздо подробнее (добавляя такие нюансы, как «слегка восковой»). Однако в его или ее перцептивном кластере «слегка восковых» веществ находится не только каприлацетат, но и другие одоранты, такие как аллиламилгликолят, и эти запахи могут быть не апельсиновыми, а, допустим, грушевыми и свежими.

Кроме того, парфюмер знает, как применять кластеры запахов для химических целей (например, определить, достаточно ли устойчив одорант для использования в составе моющих средств или шампуней). По сравнению с перцептивным пространством обычных людей перцептивное пространство специалистов содержит больше деталей и, что важно, структурировано по разным критериям, связывающим разные уровни анализа.

Формирование концептуальных кластеров в обонянии происходит нелинейно. В них перекрещиваются классы материалов и перцептивные категории. Обонятельные эталоны многогранны и неоднозначны (нельзя описать их подобно тому, как «красный цвет описывает данный диапазон длин волн»). Расхождение когнитивных карт запахов (у разных людей и в разных сферах деятельности) – следствие не субъективности восприятия, а сложности на молекулярном и перцептивном уровне.

Во-вторых, опытный человек обладает перцептивными способностями, развитыми за годы тренировок и уточнений. Важнейший элемент обонятельной компетентности – направленное обучение, позволяющее подмечать более тонкие детали запаха. Кроме того, оно дает возможность извлекать дополнительную информацию о свойствах, которые передает одорант. И это подводит нас к выводу, возможно, неочевидному для дилетанта: одоранты сообщают больше, чем один качественный параметр.

Одоранты, в отличие от цветовых стимулов, часто описывают больше одной характеристики. Многие запахи несут несколько отчетливо различимых нот. Лодамиель объясняет: «Ингредиенты в составе ароматов всегда имеют несколько аспектов. У нас нет «единиц запаха». И я не уверен, что они когда-нибудь появятся, поскольку каждая молекула… Давайте так: когда вы смотрите на зеленое, вы видите только зеленое. Вы не видите желтого и синего. Вы видите зеленое. Когда вы смотрите на красное, вы видите только красное, поскольку это определенные длины волн. И потому это гораздо конкретнее. Есть определенная длина волны и есть определенный цвет. В парфюмерии не бывает так, чтобы я чувствовал какой-то запах, и это было бы только что-то одно. Я не знаю ни единой такой молекулы. Вы скажете – свежескошенная трава? Свежескошенная трава – это целый мир. В запахе скошенной травы есть запах влажной земли. Есть ноты груши. Есть свежие ноты, которые вы назвали бы нотами зелени, листьев. Но как вы опишете ноты зелени и листьев? Это что-то, что пахнет свежескошенной травой. Круг замкнулся. Приходится признать, что в парфюмерии нет ничего завершенного, что где-то начиналось бы и где-то заканчивалось».

Марго отвечает: «Это очень важно. Есть хорошие примеры. Существует вещество этилцитронеллилоксалат, которому по структурной активности соответствует мускусный запах. Но вы дадите его понюхать людям вслепую, и парфюмер скажет: «Это груша. Ароматная груша. Сладкая». В запахе некоторых молекул мускуса имеется этот фруктовый грушевый компонент».

По поэтическому выражению Уолта Уитмена, запахам присуща множественность. Доступ к этому информационному богатству и его оценка строятся на познании благодаря структурированному и повторяющемуся наблюдению. Важнейшее следствие из этого для теорий восприятия в том, что восприятие не прямое, и всегда существует нечто большее, чем то, что улавливается первым. Конечно же, мы знаем об этом по изучению зрения, поскольку видим гораздо больше, чем осознаем (вспомните слепоту к изменениям[388]). Теперь мы знаем о том же и для обоняния.

В предыдущих главах мы обсуждали, что восприятие запахов по своей природе неоднозначно с точки зрения передаваемой физической информации, физиологического кодирования и интерпретации. Но анализ обонятельной компетентности, проведенный в данной главе, позволяет иначе взглянуть на психологию формирования категорий восприятия вне рамок традиционного подхода, основанного на классификации стимулов.

Запахи – это не отдельные однородные сущности. Одна молекула запаха может передавать разные качественные смыслы. На концептуальном уровне это дает мозгу возможность активно создавать образы запахов. Образы запахов – не зеркальное отражение стимула, как предполагалось в рамках традиционных теорий восприятия. Такое построение концептуального содержания в восприятии неотделимо от сенсорного опыта или каким-то образом им дополняется. Эти процессы причудливо переплетаются при обработке сенсорныхданных.

Таким образом, объективная ценность восприятия запаха не в единообразии опыта для конкретного стимула. Объективность обоняния заключена в принципах кодирования информации. Причинно-следственные процессы, которые надежно связывают сенсорные сигналы с адекватными реакциями, обеспечивают гораздо лучшую основу для понимания понятия объективности, характеризующего обонятельное восприятие, а также другие сенсорные модальности. Ваш нос выхватывает из внешнего мира важную информацию, но последствия этого, в том числе ваши действия и представления, в значительной мере зависят от параметров оценки, принципов и связей в системе кодирования – короче говоря, от того, как сенсорная система превращает информацию из стимулов в запахи.

Маркеры опыта в изменяющемся пространстве

Как у специалистов, так и у новичков индивидуальные различия в восприятии запахов не следует исключать из рассмотрения, считая их субъективными данными. Они указывают на необходимость системного подхода в теории восприятия. Формирование перцептивных категорий – приобретенное умение, включающее в себя создание навыков на разном уровне компетенции с разной степенью сложности. Запах – это творение мозга, призванное обеспечивать адекватный ответ на информацию, которая поступает в виде динамичного соотношения стимулов из многомерного пространства и при этом зависит от физиологии и изменяющихся потребностей наблюдателя. Нелинейная, разветвленная и распределенная обработка обонятельных сигналов объясняет чрезвычайно гибкий поведенческий эффект запаха и зависимость его смысла от контекста. Таким образом, нос производит чрезвычайно сложные и индивидуально настроенные измерения химического окружения.

Соответственно, мозг использует запахи для выбора, для определения различий и вынесения суждений о природе вещей или ситуаций. Трудность в том, чтобы понять, какой выбор делается при помощи носа и как разум использует запахи для взаимодействия с внешним миром. С этой точки зрения обонянию может отводиться несколько познавательных ролей. Обонятельная информация не переводится в однозначные перцептивные образы, как в зрительной системе[389].

Первое и главное в обонянии – оно сообщает об изменениях. Нос оценивает тончайшие изменения сложного химического состава среды, включая достаточно гибкую контекстуальную оценку. В процессе формирования образа восприятия входящий сенсорный сигнал фильтруется и структурируется под действием многих других ассоциативных функций, таких как предвидение, ожидание, опыт, обучение, память, смысл, внимание, осознание и влияние других сенсорных систем и физиологических условий, например, голода или усталости. Следовательно, запах как результат этого восприятия во многом зависит от сочетания обонятельных сигналов с сигналами от других процессов, влияющими на перцептивную оценку. Один и тот же одорант может вызывать разные образы, поскольку его информация не однозначна и не считывается кодирующей системой в виде отдельного фрагмента. Запахи выступают индикаторами качественной связи между наблюдателем и пахнущими веществами, с которыми тот имеет дело.

Наш нос отлично справляется со сравнением запахов, в том числе замечает мельчайшие качественные изменения и тончайшие различия. Запахи в целом – качественная характеристика предметов и ситуаций; они служат для их идентификации, не опредяляясь как объекты сами по себе. Происхождение запаха, воспринимаемого вслепую, определяется с трудом – не из-за субъективности восприятия, а из-за кодирующих и вычислительных свойств обонятельной системы как ответ на неоднозначность обонятельных сигналов из внешнего мира.

С этой точки зрения обоняние следует анализировать и моделировать как инструмент для принятия решений. Образы запахов – это различимые контекстные маркеры для сравнения предметов или сложных ситуаций, а не ментальные образы для изолированной сенсорной информации вообще или запахов как таковых. В этом смысле запахи обычно сигнализируют о разных свойствах предметов в рамках более широкого ментального пространства. В каждодневной жизни нос выступает измерителем контекста. Психолог Эгон П. Кестер утверждал, что «запахи обычно лучше идентифицируются с помощью эпизодической памяти о ситуации, в которой они когда-то возникли»[390].

Мы переживаем запахи как маркеры восприятия в общем процессе познания. Подумайте об этом. Даже если ваша концептуальная память о запахах в целом не очень сильна, ваша эпизодическая память о запахах как обозначении каких-то вещей или событий невероятна (как память о запахе дома вашего детства).

У мозга есть тенденция запоминать запахи в связи с предметами или ситуациями, особенно если это кажется важным для будущего, чтобы выделить достаточно похожие предметы или отметить что-то (хорошее, несвежее и по-настоящему тухлое). Мозг вспоминает не сами запахи, а контекстуальную информацию, которую запахи часто помогают фиксировать.

Но это не означает, что мы не можем обсуждать источники запаха. Конечно же можем. И можем использовать для удобства такие понятия, как «источники запаха» или «образы запаха», чтобы обращаться к разным категориям, когда рассуждаем об обонятельных впечатлениях на концептуальном уровне (запах роз или мочи). Но нельзя попадаться на философскую удочку и думать, что эти категории соответствуют видимым предметам или представляют собой истинное отражение внешних предметов. Запахи – не отдельное отражение предметов из пространства физических стимулов. Вместе они обрабатываются как контекстуальные характеристики материалов и усвоенные ассоциации с закономерностями стимулов (реляционные совпадения).

Это различие принципиально важно. Богатство перцептивного выражения свойств запахов нельзя равномерно и без потерь перенести на карту пространства стимулов или классов стимулов, поскольку таковы принципы кодирования обонятельной информации.

Таким образом, мы можем иначе взглянуть на обоняние. Например, как считает Олофссон, «изучение обоняния может подтолкнуть к новому пониманию механизмов памяти. Очевидно, что декларативная память – гораздо более изученная область, чем обоняние. Однако обоняние характеризуется очень специфической организацией восприятия, которая так сильно отличается от организации восприятия в зрении. Было бы полезно сравнить эти два типа сенсорной памяти по тому, как они загружаются в хранилище долгосрочной памяти. Здесь, вероятно, обоняние может выйти за собственные границы и помочь понять более общие когнитивные функции».

Ключом к пониманию обоняния может быть ассоциативная память, в рамках которой запахи действуют как отображения ассоциаций, усвоенных за счет усиленного опыта. Вот почему так трудно идентифицировать отдельный запах. Если речь не идет об экспертах, нос связывает концептуальное содержание с соответствующим запахом через контекст, обычно при помощи других сенсорных стимулов. И поэтому в нашем обычном каждодневном восприятии запахи – это метки опыта, которые мозг использует как основу и указатели для формирования памяти и стимуляции познания.

Разум, безусловно, никогда еще не пах так хорошо.

Глава 10. Вывод: нос как окно в мозг и разум

Обоняние – прекрасная возможность для создания полноценной теории чувственных ощущений и прояснения предпосылок для моделирования механизмов обработки информации нейронами.

Обоняние заставляет пересмотреть ключевые философские предположения теорий восприятия: 1) о несовместимости индивидуальных различий перцептивного опыта с объективностью восприятия (см. глава 9); 2) о постоянстве восприятия как ключевой функции сенсорной информации (см. главы 3 и 4); 3) о нейронной топографии как главном организующем принципе работы мозга (см. главы 6–8). И в результате мы начинаем видеть процесс создания разума мозгом иначе.

Теории, сконцентрированные на зрении, часто исходят из идеи, что восприятие – стабильное представление объекта, даже несмотря на то, что обработка зрительных сигналов теснейшим образом связана с отслеживанием движений. «Как можно достичь постоянства восприятия в обычной жизни, исходя из постоянно меняющихся ощущений?» Это хороший вопрос. На него обратил внимание Джеймс Дж. Гибсон[391]. Позднее об этом же говорил Дэвид Марр[392]. Однако этот вопрос отражает одну из, но не главную функцию восприятия. Философские и научные дебаты концентрируются вокруг этого вопроса по той причине, что он представляет стабильность как показатель объективности, разграничивая видимость и реальность сенсорного восприятия. Кажется, стереотипная топография зрительной системы подтверждает эту точку зрения. Можно создать в мозге карту мира. Мозг напоминает более или менее пассивную платформу, на которой разум и внешний мир коррелируют между собой. Нейробиология указывает на существующий философский дуализм между миром и разумом. Как мозг достигает структурированного отражения мира – это тема активных экспериментальных научных исследований. Но редко поднимается вопрос, в этом ли состоит функция мозга.

Обоняние не вписывается в эту модель соответствия. Обоняние имеет дело с непредсказуемыми стимулами – как для поведенческого контекста, так и для физической локализации. Химическая среда пребывает в постоянном движении; наблюдение за ее поведением требует простого решения для сложной проблемы. Наличие полностью специализированной предопределенной карты в таком контексте было бы недостатком (см. главы 6 и 7). Вместо этого мы видим тонкую границу между входящей информацией и постоянно перестраивающимися нисходящими эффектами (см. главы 8 и 9). Обоняние основано на оценках. Обонятельный опыт строится на восприятии и суждении. То, как мы обнаруживаем вещи и учимся создавать ассоциации, приводит к тому, как мы распределяем их по категориям и выносим оценочные суждения (см. главы 3 и 4). Хотя мир и разум соответствуют друг другу, мозг далек от представления этого соответствия.

Мозг динамичен, он в большей мереизмеряет мир, чем строит его карту. В таком контексте мозг взвешивает запахи, чтобы определить, что, как и когда следует выбрать. Запахи – это интерпретация соотношений, оценка комбинаций и величин сигналов; они являют собой отражение качественных аналогий. Если рассматривать мозг как измерительное устройство, становится понятно, что восприятие не сводится в первую очередь к стабильному узнаванию и идентификации предметов. Оно скорее заключается в наблюдательном уточнении опыта для гибкой оценки мельчайших качественных изменений в переменном контексте принятия решений. Информационное содержание «обонятельных ситуаций» определяется переменными и случайными ассоциациями, образующимися между специфическими соотношениями и сочетаниями входных сигналов и ожидаемыми значениями их – возможных – взаимодействий. Любая интерпретация и вероятность перцептивных обобщений таких сенсорных показателей в соответствии с перцептивными категориями основана на нуждах, опыте и навыках организма. Она соотносится с действиями и воспоминаниями, и ее следует понимать с учетом взаимодействия между воспринимающим организмом и его окружением.

Если мы рассматриваем мозг в перспективе его функций и действий, то есть как достаточно гибкий орган для принятия решений, пространственное отображение оказывается побочным продуктом, вторичным для временного и зависящего от контекста поведения. Наряду с эволюционным развитием и индивидуальной историей важнейшим принципом в основе восприятия является не отображение стимулов, а их измерение.

История изучения обоняния показывает, как рассуждать о системе, не соответствующей философской интуиции, и пересмотреть концептуальные основы нейробиологии. Она открывает возможность альтернативного понимания восприятия.

Восприятие – это навык. Он формируется на нескольких уровнях, включая нейронные процессы и когнитивные стратегии, с помощью которых организм учится обонянию. Восприятие в первую очередь связано с измерением информации при принятии решений, а не со стабильностью образов как таковой. Вопрос в том, как сенсорная информация превращается в категории восприятия и объекты познания, в том числе – как система ее классифицирует.

Восприятие характеризуется непрерывной активностью по сбору информации и обучению. Внешняя информация не поступает в заранее сформированные категории и не помечена ярлыками. То, что мы называем перцептивными категориями – это результат работы наших чувств. Это активность. Сенсорный сигнал приходит из разных источников: отраженный от поверхности свет проникает в глаза, волны давления воздуха достигают ушей, летучие химические вещества попадают в нос, механическое давление воздействует на кожу, и даже биение собственного сердца производит ощущение. Разнообразная физическая информация переводится в нервные сигналы, а затем обрабатывается за несколько этапов: фильтруется, разбивается на фрагменты, интегрируется в кластеры, а также совмещается с информацией, проходящей параллельную обработку в нервной системе.

Соответственно, перцептивное содержание запаха нужно анализировать не как отображение «источников запаха», а как отображение «обонятельной ситуации». Эти «обонятельные ситуации» представляют собой перцептивную меру нейронной активности по принятию решения в соответствующем контексте при интеграции входящих сигналов с точки зрения временных и усвоенных ассоциаций. В таком ракурсе сенсорное восприятие представляет собой меру изменяющихся соотношений внешних сигналов с учетом ожиданий, передаваемых через нисходящие процессы.

Где нос встречается с глазом

Как изучение обоняния может повлиять на теории зрения? Когда речь заходит о принципах организации нейронов, не все в механизмах зрения оказывается полностью понятным. Топография не так важна для зрения, как это подразумевается в популярных моделях. Например, в первичной зрительной коре морских черепах и других земноводных не обнаружено топографической организации входящих зрительных сигналов; зрительная кора морских черепах не имеет ретинотопической организации[393]. Возможно, следует найти альтернативу нашим стандартным модельным организмам – грызунам и приматам.

В 2017 году известный нейробиолог Маргарет Ливингстоун обнаружила, что пространственно различимые картины активации веретенообразной извилины[394] у макак зависят от опыта[395].Сенсорное обучение чрезвычайно важно для организации нейронных сигналов и обработки зрительной информации. Эти вычислительные принципы работы зрительной системы подразумевают нечто большее, чем генетически предопределенный план сборки. Нетопографические и ассоциативные связи, задействованные в нейронной передаче сигнала в системе обоняния, предлагают комплементарную модель для изучения вычислительных принципов, не связанных с картами.

Специфические принципы функционирования сенсорной системы, обеспечивающие избирательность и интеграцию информации, дают прочную основу для определения и оценки характеристик восприятия. Например, то, почему одни категории восприятия (такие как цвета), более дискретные и более однозначные, чем другие (такие как запахи), объясняется тем, как информация поначалу кодируется и далее интегрируется в отдельные фрагменты данных. Следовательно, теории должны учитывать сложные взаимодействия, вовлеченные в реализацию эффектов восприятия. Мы должны поставить вопрос, какие когнитивные и поведенческие механизмы обеспечиваются молекулярными и нейронными процессами, и наоборот.

В этом контексте давайте поговорим об иллюзиях. Герман фон Гельмгольц считал, что иллюзии являются результатом бессознательных умозаключений – механизма, за счет которого разум создает образы восприятия из ощущений (см. глава 9). Эта идея применима как к обонянию, так и к зрению. Когнитивист Марк Чангизи предположил, что многие зрительные иллюзии могут объясняться «нейронной задержкой»[396]. Пример – иллюзия Геринга, когда мозг предполагает продвижение в сторону отдаленной точки. Из-за ожидания движения восприятие создает искривленные линии. Это одно из возможных объяснений того, как зрительная система осмысляет мир; оно соответствует принципам работы нейронов и современным теориям предсказательного мозга, учитывающим сопряжение действия и восприятия.

Сенсорное восприятие в значительной степени формируется с развитием и опытом даже для систем высокоорганизованных и со строго предопределенной структурой, таких как зрение. Если мы хотим понять разум через мозг, мы должны внимательнее относиться к структурному и функциональному разнообразию мозга.

Теории восприятия не равняются теориям зрения

Реальность больше того, что видит глаз. Сложные теории восприятия нельзя свести к теориям зрения. Разные чувства имеют разную эволюционную историю. Зрение возникло сравнительно поздно, хеморецепция появилась на эволюционной схеме раньше. Все чувства участвуют в разнообразных поведенческих функциях и выполняют их разными способами. Почему нужно считать, что зрение – лучший выбор для понимания восприятия? Почему нужно считать, что все системы чувств действуют в соответствии с одними и теми же принципами, для которых оптимальной моделью является зрение?

Зрение – фантастическая чувственная система, и она определила развитие современной нейробиологии. Но сосредоточенность на этом подходе выводит на ложный путь, выражающийся в пренебрежительном отношении к «другим чувствам». Мы привыкли рассматривать восприятие, его функции и принципы через призму зрения. Зрение предопределило наши представления о восприятии, и это забавно, если учесть, что мы недостаточно хорошо понимаем, что собой представляют «другие чувства», не говоря уже о том, сколько их. Такой «сенсорный шовинизм» подпитывает пренебрежение, особенно по отношению к самым скрытым системам. О некоторых важнейших системах чувств мы начинаем задумываться только тогда, когда мозг серьезно повреждается. Вопреки устоявшемуся мнению, у нас больше пяти чувств.

По данным современной нейробиологии насчитывается до 27 сенсорных модальностей – в зависимости от способа подсчета и целей классификации. Некоторые чувства не соответствуют стандартным моделям восприятия, включая осязание, проприоцепцию[397] или интероцепцию[398]. Эти чувства отличаются по влиянию на поведение, а также по физиологии и феноменологии.

Рассмотрим в качестве примера локомоцию[399]. Локомоция играет важнейшую роль в эволюции сенсорных систем. Такие чувства, как зрение, обоняние и проприоцепция позволяют организму двигаться и реагировать на окружающее пространство. Локомоция – центральный элемент поведения организма, определяющий, каким образом используется сенсорная информация, в том числе – как системы нейронов связываются между собой для обработки разных типов данных из окружающей среды. Не все чувства действуют по одним и тем же правилам обработки сигналов, не все настроены одинаково для пространственного ориентирования. Обязательно должны быть различия в том, как поведение формирует нейронную организацию специфических сенсорных систем, определяя соответствующие процессы восприятия.

Сравнение трех упомянутых выше чувств как раз иллюстрирует эту проблему. Рассмотрим проприоцепцию – восприятие положения и движений собственного тела. Это чувство связано с опытом пространства, который возникает в результате перемещения физических тел. Это скрытое чувство, помогающее неосознанному пониманию пространства через внутренние ощущения тела и даже собственной идентичности как физического существа. Обоняние действует иначе; ортоназальное обоняние способствует пространственному перемещению в соответствии с внешними сигналами, хотя само по себе и не имеет аналогичной пространственной размерности. Проприоцепция не нуждается во внешних сигналах для достижения чувства пространства через собственное тело: она строго сопряжена со зрительным восприятием. Обоняние, в свою очередь, связано с соматосенсорными ощущениями, облегчающими перемещение в пространстве через восприятие запахов. Все эти чувства комплементарны – не всегда параллельны, но всегда связаны.

В свете такого сенсорного разнообразия допустим на минуту, что исключение – это зрение, а вовсе не обоняние. Зрительная система очень необычна. Грубо говоря, зрительная система превращает трехмерное пространство в двумерную картину на сетчатке, извлекает специфический набор параметров (форма, цвет, движение), а затем воссоздает трехмерный мысленный образ, добавляя глубину. Вычисление тактильного образа происходит иначе. Вкус и другие сенсорные системы тоже работают не так.

Система зрения характеризуется очень специфической организацией нейронов, напрямую связанной с задачей пространственного ориентирования за счет извлечения информации из предсказуемых стимулов. Однако многие чувства, включая осязание и обоняние, призваны реагировать на непредсказуемые стимулы. Другие чувства подразумевают регулярность, но не предсказуемость, как, например, интроспекция, связанная с гомеостазом (устойчивым равновесием таких физиологических процессов, как частота сердцебиения и гормональный баланс). Вот почему теории зрения не могут служить основой для построения более общей теории восприятия.

Что особенного в обонянии?

А может ли нос быть моделью для изучения систем чувств? И действительно ли обоняние так сильно отличается от зрения? Некоторые перцептивные аспекты зрения и обоняния пересекаются. Например, ситуация с пармезаном и рвотными массами некоторым образом напоминает о «гештальтах» в системе зрения. Обоняние не отличается коренным образом от зрения. Но это чрезвычайно важно понять. Обоняние не должно отличаться от зрения по всем параметрам, чтобы мы начали переосмысливать функционирование систем чувств, включая построение теорий разума и мозга. Вопрос в том, в чем сходство и различие между чувствами, и что эти различия означают.

На страницах книги мы анализировали сенсорную систему с совсем иными принципами нейронного представления сигналов, нежели в системах зрения, слуха и соматосенсорных ощущений (см. главы 2, 5–8). Система обоняния чрезвычайно вариабельна уже на периферии, что связано с ее генетикой. Она функционирует не за счет кодирования аддитивных стимулов или их стереотипного топографического представления. Ее характеристики несовместимы с идеей карты стимулов, находившейся в центре всей нейробиологии XX века. Идея карты в теориях разума и мозга отразилась и в философских дискуссиях, поскольку в теме восприятия доминируют теории отображения[400]. В данном случае «правдивое» восприятие – это точное мысленное отражение физических свойств. Однако идея о карте затмевает реальную суть восприятия как ассоциативного обучения, уточнения наблюдений и принятия решений в зависимости от контекста. История носа показывает, что обычные эффекты восприятия, включая концептуальные образы (см. главы 3 и 9), в большей степени зависят от развития нейронной архитектуры, чем от топологии стимулов.

Понимание эффектов восприятия достигается через призму их происхождения: необходимо проанализировать их кодирование и осмыслить вычислительные и нейронные механизмы. Патриция Черчленд именно в этом видит задачу нейрофилософии: «Понять разум означает понять мозг». Чтобы понять мозг, недостаточно сконцентрироваться на его структуре и топологии.

Личные выводы

На этом пока заканчивается история обонятельного мозга, но его изучение продолжается. Анализ текущих тенденций в нейробиологии приводит нас к важнейшему философскому уроку: индивидуальные вариации не противоречат понятию объективности в восприятии; скорее, они отражают важнейшие механизмы функционирования сенсорных систем. Субъективные эффекты можно нащупать, измерить и сравнить через причинные принципы их возникновения. Традиционный дуализм объективности и субъективности в сенсорном восприятии сам по себе артефакт устаревших философских рамок. Пришло время изменить способ мышления.

Также у нас появляется возможность перенести натурфилософию в XXI век и разрушить границы узкоспециализированных дисциплин, отделяющих философские изыскания от нейробиологических. Философия должна отказаться от позиции, подразумевающей бесконечность ее идей и споров и ее независимость от развития эмпирических исследований. Нейробиология ставит новые философские вопросы и по-новому смотрит на исторически сложившиеся и глубоко укоренившиеся интуитивные представления о разуме, его создании, структуре и окружении. Мы должны адаптировать наши методы для решения возникающих задач, а не наоборот.

Нейрофилософия простирается дальше выверенных слов на бумаге; это практический взгляд. Итак, данная книга заканчивается на личной ноте. Работа философа в лаборатории – изо дня в день на протяжении трех лет – не могла не сказаться на участниках этих исследований с обеих сторон. И теперь вы можете застать Стюарта Фаерштейна не только за научной работой, но и в архивах за чтением рукописей XIX века. Тем временем мое будущее свернуло в сторону исследований: вскоре я собираюсь открыть лабораторию, поводом для чего послужил один судьбоносный завтрак с Гордоном Шепардом, во время которого он спросил: «Ты не думала заняться экспериментами?»

Приложение. Список интервью

Аксель Ричард – нейробиолог, Колумбийский университет, 07.03.2018, Нью-Йорк

Бак Линда – нейробиолог, Онкологический исследовательский центр Фреда Хатчисона, 21.09.2017, телефонный разговор

Бартощук Линда – психолог, Флоридский университет, 18.04.2018, AChemS

Воссхолл Лесли – нейробиолог, Рокфеллерский университет, 07.02.2017, Нью-Йорк

Геркин Ричард – нейроинформатик, Аризонский университет, 17.04.2018, AChemS

Герц Рэйчел – психолог, Брауновский университет, 17.04.2018, AChemS

Гилберт Эйвери – нейробиолог, Synesthetics, 13.08.2016, скайп

Горовиц Александра – когнитивист, Барнардский колледж, 06.03.2017, Нью-Йорк

Готтфрид Джей – нейробиолог, Пенсильванский университет, 17.04.2018, AChemS

Грир Чарли – нейробиолог, Йельский университет, 05.09.2017, Нью-Хейвен

Доти Ричард – клиницист, Пенсильванский университет, 18.04.2018, AChemS

Кей Лесли – нейробиолог, Чикагский университет, 18.04.2018, AChemS

Келлер Андреас – нейробиолог и философ, Городской университет Нью-Йорка, 30.09.2016, 30.04.2017, Нью-Йорк

Лодамиель Кристоф – парфюмер, DreamAir, 14.05.2018, скайп

Маджид Азифа – когнитивист, Йоркский университет, 04.03.2018, скайп

Майер Пабло – IBM, 30.04.2017, Нью-Йорк

МакГанн Джон – нейробиолог, Ратгерский университет, 18.04.2018, AChemS

Мангер Стивен – нейробиолог, Флоридский университет, 17.04.2018, AChemS

Марго Кристиан – химик, Firmenich, 17.04.2018, AChemS

Мейнленд Джоэль – нейробиолог, Центр химических чувств Монелла, 17.04.2018, AChemS

Мершин Андреас – биофизик, Массачусетский технологический институт, 27.01.2016, скайп

Мозель Максвелл – физиолог (на пенсии), Медицинский университет Апстейт штата Нью-Йорк, 03.05.2018, Нью-Йорк

Нобл Энн – химик (на пенсии), Калифорнийский университет в Дейвисе, 01.02.2018, телефонный разговор

Олофссон Йонас – когнитивист, Стокгольмский университет, 01.06.2017, Нью-Йорк

Пуаве Эрван – нейробиолог, Колумбийский университет, 01.09.2016, Нью-Йорк

Пьюс Айна – нейробиолог, Индианский университет в Блумингтоне, 02.03.2019, электронная почта

Рид Рэндалл – молекулярный биолог, университет Джона Хопкинса, 06.04.2018, скайп

Ринберг Дмитрий – нейробиолог, Нью-Йоркский университет, 17.08.2016, Нью-Йорк

Роджерс Мэттью – нейробиолог, Firmenich, 18.05.2018, Нью-Йорк

Смит Барри – философ, Лондонский университет 04/16—17/2017, Нью-Йорк

Стопфер Марк – нейробиолог, Национальный институт здоровья, 18.04.2018, AChemS

Таузиет Эллисон – винодел, Colgin Cellars, долина Напа, 23.01.2018, скайп

Уайатт Тристрам – зоолог, Оксфордский университет, 09.06.2018, скайп

Уайт Тереза – психолог, колледж ЛеМойн, 27.04.2018, скайп

Уилсон Дональд – нейробиолог, Нью-Йоркский университет, 26.01.2018, Нью-Йорк

Фаерштейн Стюарт – Колумбийский университет, 23.05.2017, 26.01.2018, Нью-Йорк

Финджер Том – нейробиолог, Колорадский университет, 04.05.2018, скайп

Фраснелли Иоганнес – клиницист, Квебекский университет, 19.04.2018, AChemS

Фримонт Гарри – парфюмер, Firmenich, 11.05.2018, Нью-Йорк

Фрэнк Марион – психолог, Коннектикутский университет, 19.04.2018, AChemS

Хаммел Томас – клиницист, Дрезденский технический университет, 28.04.2017, телефонный разговор

Хеттингер Томас – химик, Коннектикутский университет, 19.04.2018, AChemS

Цзоу Донцзин – нейробиолог, Колумбийский университет, 24.04.2018, Нью-Йорк

Шеферд Гордон – нейробиолог, Йельский университет, 22.03.2017, Нью-Хейвен

Экри Терри – специалист по химии пищевых продуктов, Корнеллский университет, 10–11.08.2016, Итака; 18.04.2019, AChemS

Комментарии. Благодарности

Эта книга – итог персонального опыта.

Среди многих людей, которых необходимо упомянуть, особенно выделяется один – Стюарт Фаерштейн, мой учитель в области нейробиологии на протяжении трех лет, которые я провела в его лаборатории в Колумбийском университете. Его способ рассуждений изменил мой способ рассуждений. Его радикальный подход с постоянным поиском альтернативных возможностей показал мне, что революционные философские идеи не всегда рождаются у философов. Но каким бы весомым ни было влияние Фаерштейна, оно не объясняет установившихся между нами прочных дружеских связей. Эти дружеские отношения распространяются и на других людей из его лаборатории, допустивших в свою среду странного философа – на свои встречи, к своей лабораторной работе и своему ежегодному ритуалу посадки папоротников. Цзоу Донцзин, Лу Сюй, Эрван Пуаве, Цен Чжан, Нармин Таирова и Клара Альтомаре научили меня большему, чем они, возможно, думают.

На создание книги повлияли и многие другие. Встречу с Терри Экри можно сравнить с чтением «Алисы в стране чудес»: этот человек производит бесценные идеи в необычном формате. Андреас Мершин был первым, кто поверил, что я не только думаю о науке, но и занимаюсь ею. Гордон Шеферд заразил философа мыслью использовать руки – превратить идеи в эксперименты; помимо многочасовых бесед по теме исследования он учил меня подбору экспериментальных методов. Барри Смит открыл мне дорогу к философским размышлениям с помощью слов и опыта – а также вина. Беседы с Крисом Пикоком усилили мой голос философа, иногда терявшийся в научных беседах. Андреас Келлер стал моим собратом по революционному настрою.

А еще нужно сказать о Джейнис Одет, моем замечательном редакторе. Она стала важнейшей фигурой, определившей структуру книги. Я обязательно должна упомянуть о том, как познакомилась с Джейнис. Это важно для понимания предыстории книги и города, в котором все происходило. Все началось в 2015 году, когда я впервые приехала из Нью-Йорка в Германию на рождественские каникулы. Во Франкфурте я помогла пожилому человеку донести до поезда чемодан. Он говорил по-английски. Выяснилось, что Питер Джадд тоже приехал из Нью-Йорка, и на пару лет мы стали добрыми друзьями. Наша дружба в том числе заключалась в походах в Метрополитен Опера раз в две недели. В антракте на опере «Фиделио» (единственной опере Бетховена и одном из моих любимых произведений) мы встретили соседей Питера, живущих с ним в одном доме. Одной из этих людей оказалась Джойс Селтцер, которая по дороге домой расспрашивала меня, что известно об обонянии, и поинтересовалась, не думала ли я написать об этом книгу. Конечно же думала – и уже сделала! Ну то есть начала. Она спросила, нет ли у меня проекта, поскольку работала в издательстве Harvard University Press. Однако составление проекта требует работы, и в один прекрасный день в Нью-Йорке Джойс совершила со мной прогулку среди моих собственных мыслей, помогая мне создать сердце книги, которое потом отослала своим коллегам из научной редакции. Через день я познакомилась с Джейнис. Подобно садовнику Джейнис выискивала чужеродные элементы, которые нужно подровнять или вырезать, или которые разрастались непропорционально общему развитию рукописи.

В последний момент перед подачей рукописи на рецензию два человека прочли первую (и значительно удлинившуюся!) версию текста от корки до корки: это были Айна Пьюс и Эйвери Гилберт, которым я чрезвычайно за это благодарна. Они часто веселили меня долгими вечерами в последний месяц перед завершением рукописи. Их комментарии в этот критический период уточняли ход моих мыслей. Я также благодарна Мэттью Родригесу и Грегу Кейпорелу за помощь на последних этапах правки, Кристин Хаускеллер за полезные замечания в отношении финальной версии двух важнейших глав, а также Ингрид Бурк за редактирование текста. Мне невероятно повезло с тремя редакторами, которые сделали необыкновенно полезные и конструктивные замечания. Одним из них оказался Джон Бикл – увлеченный и сердечный человек и чрезвычайно образованный специалист в молекулярной области. Два других неизвестных мне редактора, естественно, тоже занимаются изучением обоняния: если мы когда-нибудь встретимся и вы мне представитесь, разрешите пригласить вас на стаканчик!

Важнейшая часть работы, усложнившая «укрощение» текста, заключалась в потрясающе интересных встречах с людьми, которые хотели передать мне свой голос. Они не несут ответственности за любые ошибки и глупости, которые вы можете встретить в книге. Вслед за Стюартом, Терри, Эйвери, двумя моими Андреасами и Барри я хочу поблагодарить Чарли Грира, Линду Бак, Ричарда Акселя, Марка Стопфера, Лесли Кей, Кристиана Марго, Мэтта Роджерса, Эрвана Пуаве, Цзоу Донцзина, Лесли Воссхолл, Терезу Уайт, Рэйчел Герц, Кристофа Лодамиеля, Гарри Фремонта, Эллисон Таузиет, Дона Уилсона, Рэнди Рида, Диму Ринберга, Тристама Уайатта, Томаса Хаммеля, Стива Мангера, Иоганнеса Фраснелли, Джона МакГанна, Джея Готтфрида, Джоэля Мейнленда, Рика Геркина, Азифу Маджид, Йонаса Олофссона, Марион Фрэнк, Томаса Хеттингера, Линду Бартощук, Тома Финджера, Ричарда Доти, Александру Горовиц, Энн Нобл и Пабло Мейера. Наконец, я благодарю замечательного человека и основателя Ассоциации хеморецептивных наук (AChemS) Макса Мозеля.

Работа над книгой стала возможной благодаря финансовой поддержке программы Presidential Scholars in Society and Neuroscience Колумбийского университета. Особую благодарность я выражаю Памеле Смит. Я также глубоко благодарна Питеру Тодду и Ютте Шикоре за подбор таблиц и за приглашение посетить Индианский университет в Блумингтоне. Здесь я завершила работу над книгой в самой благоприятной обстановке. Я благодарю членов исторической и философской научной группы, особенно Ютту и Джорди Кэт, которые прочли и обсудили со мной фрагменты рукописи. Как бы я хотела, чтобы был еще жив Вернер Коллбот – мой друг и бывший наставник в Институте эволюции и когнитивных исследований Конрада Лоренца (KLI) в Клостернойбурге; именно он посоветовал мне провести интервью, которые нашли отражение в этой книге.

Я хочу назвать пять человек, беседы с которыми научили меня многому из того, что выходит за пределы сюжета книги: Донна Байлак, Кристин Хаускеллер, Хасок Чанг, Линда Кейпорел и Джон Дюпре.

Редактирование текста происходило летом 2019 года в библиотеке графини Анны Амалии в Веймаре. Эта библиотека оказалась превосходным местом, чтобы завершить удивительное путешествие, в процессе которого недисциплинированный философ превратился в ученого.

В бурный период работы над книгой, когда мое профессиональное будущее было совершенно неопределенным, у меня не было жены и детей, которых я могла бы поблагодарить за перепечатывание текста или стирку белья. Но у меня была замечательная семья, которая позволила мне мои чудачества: моя мама, мой двоюродный брат Вернер и мой дядя Дитер (который недавно покинул нас и который не уставал повторять, что мне следовало бы заняться наукой). В плохом и в хорошем смысле они отчасти ответственны за результат.

Примечания

1

Перевод П. С. Юшкевича – Прим. ред.

2

Abbé de Étienne Bonnot Condillac, Condillac’s Treatise on the Sensations, (1754; repr., London: Favil, 1930), xxxi. – де Кондильяк Этьенн Бонно. Трактат об ощущениях. Пер. П. С. Юшкевич – М.: Едиториал УРСС – 2018. – 250 с.

3

Перевод М. С. Соколова – Прим. ред.

4

Immanuel Kant, Anthropology from a Pragmatic Point of View, ed. and trans. R. B. Louden (1798; repr., Cambridge: Cambridge University Press, 2006), 50–51. – Кант И. Антропология с прагматической точки зрения. Пер. Н. М. Соколова – СПб.: Наука – 1999. – 471 с.

5

Перевод фразы «Here’s looking at you, kid!» из голливудской романтической кинодрамы 1942 года «Касабланка». – Прим. пер.

6

Они же семиспиральные, или серпантинные, рецепторы. – Прим. науч. ред.

7

Асафетида – сильно пахнущий высушенный млечный сок (латекс) из корневищ нескольких видов зонтичных растений. – Прим. пер.

8

Alexander Graham Bell, Discovery and Invention, Alexander Graham Bell Family Papers, 1834 to 1974: Article and Speech Files, Library of Congress, перепечатано из National Geographic Magazine, June 1914.

9

К химическим чувствам (возникающим под влиянием химических раздражителей на периферическую структуру сенсорной системы – хеморецепторы) относят вкус и обоняние. – Прим. ред.

10

Stuart Firestein, Failure: Why Science Is So Successful (New York: Oxford University Press, 2015); Stuart Firestein, Ignorance: How It Drives Science (New York: Oxford University Press, 2012).

11

Patricia Smith Churchland, Neurophilosophy: Toward a Unified Science of the Mind-Brain (Cambridge, MA: MIT Press, 1989); цитата из книги Patricia Smith Churchland, Of Brains & Minds: An Exchange, New York Review of Books 61, no. 11, June 19, 2014, https://www.nybooks.com/articles/2014/06/19/brains-and-minds-exchange/

12

Paul M. Churchland, The Engine of Reason, the Seat of the Soul: A Philosophical Journey into the Brain (Cambridge, MA: MIT Press, 1996); John Bickle, Psychoneural Reduction: The New Wave (Cambridge, MA: MIT Press, 1998).

13

Здесь имеется в виду локализация нейронов, участвующих в обработке информации о запахах. – Прим. науч. ред.

14

Часть обонятельного мозга. – Прим. науч. ред.

15

Перцептивный – связанный с восприятием. – Прим. ред.

16

Атомизм – философское учение о прерывистом строении материи, состоящей из отдельных чрезвычайно малых частиц. – Прим. ред.

17

Horror vacui (лат. – боязнь пустоты, отвращение к пустоте) – идущее от Аристотеля выражение, которое употребляется для обозначения т. н. отвращения природы к пустому пространству, вследствие чего везде «что-нибудь» есть. – Прим. ред.

18

Гилеморфизм – термин, возникший в конце XIX века для обозначения восходящего к Аристотелю учения о форме и материи как основных принципах бытия. – Прим. ред.

19

Aristotle, The Works of Aristotle, ed. J. A. Smith and W. D. Ross, vol. 3, On the Senses and the Sensible (Oxford: Clarendon Press, 1931), 441b, 442b.

20

Theophrastus, Enquiry into Plants and Minor Works on Odours and Weather Signs, ed. and trans. Sir Arthur Hort (London: William Heinemann, 1916), 2:413.

21

Susan Ashbrook Harvey, Scenting Salvation: Ancient Christianity and the Olfactory Imagination (Berkeley: University of California Press, 2006); Christopher M. Woolgar, The Senses in Late Medieval England (New Haven, CT: Yale University Press, 2006).

22

Возможно, вы узнали в этих описаниях сангвиника, флегматика, холерика и меланхолика. – Прим. науч. ред.

23

Adam Hart-Davis and Emily Troscianko, Taking the Piss: A Potted History of Pee (Hornchurch, UK: Chalford Press, 2006), 55.

24

Sabine Krist and Wilfried Grießer, Die Erforschung der chemischen Sinne: Geruchs– und Geschmackstheorien von der Antike bis zur Gegenwart (Berlin: Peter Lang, 2006), 53; Robert Jütte, A History of the Senses (Cambridge, UK: Polity Press, 2005), 59.

25

Simon Kemp, A Medieval Controversy about Odor, Journal of the History of the Behavioral Sciences 33, no. 3 (1997): 211–219; Jütte, History of the Senses; Woolgar, Senses in Medieval England; Krist and Grießer, Erforschung der chemischen Sinne, 55–58.

26

Kriest and Grießer, Erforschung der chemischen Sinne, 52; Avicenna Latinus, Liber de anima seu sextus de naturalibus, ed. Simone van Riet, vols. 1–3 (Leuven, Belgium: Peeters; Leiden, Netherlands: E. J. Brill, 1972), 146–153.

27

Andrea Porzionato, Veronica Macchi, and Raffaele De Caro, The Role of Caspar Bartholin the Elder in the Evolution of the Terminology of the Cranial Nerves, Annals of Anatomy 195, no. 1 (2013): 28–31.

28

Woolgar, Senses in Medieval England, 15.

29

Теория классификации и систематизации организмов. – Прим. ред.

30

Carl Linnaeus and Andreas Wåhlin, Dissertatio medica odores medicamentorum exhibens (Stockholm: L. Salvius, 1752).

31

Anton Kerner von Marilaun, The Natural History of Plants, Their Forms, Growth, Reproduction (New York: H. Holt and Company, 1895–1896).

32

John Harvey Lovell, Flower Odors and Their Importance to Bees: A Series of Articles, American Bee Journal 15 (1934): 392.

33

Frank Anthony Hampton, The Scent of Flowers and Leaves: Its Purpose and Relation to Man (London: Dulau, 1925).

34

G. W. Septimus Piesse, The Art of Perfumery, and Method of Obtaining the Odors of Plants (Philadelphia: Lindsay and Blakiston, 1857); Edward Sagarin, The Science and Art of Perfumery (London: McGraw-Hill, 1945); Mandy Aftel, Essence and Alchemy: A Book of Perfume (New York: North Point Press, 2001); Matthias Guentert, The Flavour and Fragrance Industry – Past, Present, and Future, in Flavours and Fragrances (Berlin: Springer, 2007), 1–14.

35

Andrea Büttner, Springer Handbook of Odor (New York: Springer, 2017), 4–5.

36

Robert Boyle, Experiments and Observations about the Mechanical Production of Odours (London: E. Flesher, 1675).

37

Lawrence M. Principe, The Aspiring Adept: Robert Boyle and His Alchemical Quest (Princeton, NJ: Princeton University Press, 2000).

38

Robert Boyle, The Philosophical Works of the Honourable Robert Boyle Esq., in Three Volumes, ed. Peter Shaw, vol. 1 (London: W. Innys, R. Manby, and T. Longman, 1738), 412.

39

Herman Boerhaave, Of the Smelling, in Dr. Boerhaave’s Academical Lectures on the Theory of Physic, vol. 4 (London: W. Innys, 1745), 39–54, 40.

40

Antoine-François de Fourcroy, Mémoire sur l’esprit recteur de Boerhaave, Annales de chimie 26 (1798): 232.

41

Johann Franz Simon, Animal Chemistry with Reference to the Physiology and Pathology of Man, vol. 2 (London: Sydenham Society, 1846), 343.

42

Friedrich Wöhler, Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs, Annalen der Physik und Chemie 88, no. 2 (1828): 253–256.

43

Günther Ohloff, Wilhelm Pickenhagen, and Philip Kraft, Scent and Chemistry: The Molecular World of Odors (Zürich: Wiley-VCH, 2011), 5.

44

Jean-Baptiste Dumas, Über die vegetabilischen Substanzen, welche sich dem Campher nähert und Über einige Ätherische Öle, Justus Liebigs Annalen der Chemie 6, no. 3 (1833): 245–258.

45

Ohloff, Pickenhagen, and Kraft, Scent and Chemistry, 5.

46

Ferdinand Tiemann and Wilhelm Haarmann, Über das Coniferin und seine Umwandlung in das aromatische Princip der Vanille, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 7, no. 1 (1874): 608–623.

47

Karl Reimer, Über eine neue Bildungsweise aromatischer Aldehyde, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 9, no. 1 (1876): 423–424.

48

Firmenich, Firmenich & Co., Successors to Chuit Naef & Co., Geneva, 1895–1945 (Geneva: Firmenich, 1945); Percy Kemp, ed., An Odyssey of Flavors and Fragrances: Givaudan (New York: Abrams, 2016).

49

Christopher Kemp, Floating Gold: A Natural (and Unnatural) History of Ambergris (Chicago: University of Chicago Press, 2012).

50

Осмофорные группы – характерные функциональные группы в ароматических соединениях; термин происходит от греческих корней «осмо» и «форос» – запах и носитель. – Прим. пер.

51

Leopold Ružička, Die Grundlagen der Geruchschemie, Chemiker-Zeitung 44, no. 1 (1920): 93, 129.

52

Daniel Speich, Leopold Ruzicka und das Verhältnis von Wissenschaft und Wirtschaft in der Chemie, ETH History (blog), Eidgenossische Technische Hochschule Zürich [Swiss Federal Institute of Technology, Zurich], https://www.ethistory.ethz.ch/besichtigungen/touren/vitrinen/konjunkturkurven/vitrine61/

53

Olivier Walusinski, Joseph Hippolyte Cloquet (1787–1840) – Physiology of Smell: Portrait of a Pioneer, Clinical and Translational Neuroscience 2, no. 1 (2018): 2514183X17738406.

54

Hippolyte Cloquet, Osphrésiologie, ou traité des odeurs, de sens et des organes de l’olfaction (Paris: Chez Méquignon-Marvis, 1821).

55

Walusinski, Joseph Hippolyte Cloquet, 6.

56

Zwaardemaker, Physiologie des Geruchs, 49–52.

57

Annick Le Guérer, Olfaction and Cognition: A Philosophical and Psychoanalytic View, in Olfaction, Taste, and Cognition, ed. Catherine Rouby et al. (Cambridge: Cambridge University Press, 2002), 3–15.

58

Thomas Laycock, A Treatise on the Nervous Diseases of Women (London: Longman, Orme, Brown, Green, and Longmans, 1840).

59

Havelock Ellis, Sexual Selection in Man: Touch, Smell, Hearing, and Vision, part 1 in Studies in the Psychology of Sex, vol. 2 (Philadelphia: F. A. Davis, 1905), 47–83; Constance Classen, David Howes, and Anthony Synnott, Aroma: The Cultural History of Smell (London: Routledge, 2002).

60

Иоанна Неаполитанская (1325–1382) – королева Неаполя и Прованса, героиня нескольких литературных произведений. – Прим. пер.

61

Ellis, Sexual Selection in Man.

62

Carl Maria Giessler, Wegweiser zu einer Psychologie des Geruches (Hamburg, Leipzig: Leopold Voss, 1894).

63

Joel Michell, Measurement in Psychology: A Critical History of a Methodological Concept (Cambridge: Cambridge University Press, 1999).

64

Eleanor Acheson McCulloch Gamble, The Applicability of Weber’s Law to Smell, American Journal of Psychology 10, no. 1 (1898): 93.

65

Hans Henning, Der Geruch (Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1916).

66

Eleanor Acheson McCulloch Gamble, Taste and Smell, Psychological Bulletin 13, no. 3 (1916): 137. См. также Eleanor Acheson McCulloch Gamble, Review of ‘Der Geruch’ by Hans Henning, American Journal of Psychology 32, no. 2 (1921): 290–295.

67

E. C. Crocker and L. F. Henderson, Analysis and Classification of Odors, American Perfumer Essential Oil Review 22 (1927): 325–327.

68

Ralf D. Bienfang, Dimensional Characterisation of Odours, Chronica botanica 6 (1941): 249–250.

69

F. Nowell Jones and Margaret Hubbard Jones, Modern Theories of Olfaction: A Critical Review, Journal of Psychology: Interdisciplinary and Applied 36, no. 1 (1953): 207–241.

70

Ellis, Sexual Selection in Man. Эллис пишет о теориях Фон Вальтера (1807–1808), Звардемакера (1898), Хейкрафта (1887–1888), Резерфорда (1892), Саузердена (1903) и Вашиде и Ван Мелле (1899).

71

Malcolm Dyson, Some Aspects of the Vibration Theory of Odour, Perfumery and Essential Oil Record 19 (1928): 456–459; Malcolm Dyson, The Scientific Basis of Odour, Journal of the Society of Chemical Industry 57, no. 28 (1938): 647–651.

72

Robert H. Wright, Odor and Molecular Vibration: The Far Infrared Spectra of Some Perfume Chemicals, Annals of the New York Academy of Sciences 116 (1964): 552–558; Robert H. Wright, Odor and Molecular Vibration: Neural Coding of Olfactory Information, Journal of Theoretical Biology 64, no. 3 (1977): 473–474.

73

H. Teudt, Eine Erklärung der Geruchserscheinungen, Biologisches Zentralblatt 33 (1913): 716–724.

74

M. N. Banerji, Incidence of Smell: Theory of Surface Friction, Indian Journal of Psychological Medicine 6 (1930): 87–94.

75

Luca Turin, The Secret of Scent (London: Faber&Faber, 2006); Ann-Sophie Barwich, How to Be Rational about Empirical Success in Ongoing Science: The Case of the Quantum Nose and Its Critics, Studies in History and Philosophy of Science 69 (2018): 40–51.

76

Lloyd H. Beck and Walter R. Miles, Some Theoretical and Experimental Relationships between Infrared Absorption and Olfaction, Science 106 (1947): 511.

77

A. Müller, A Dipolar Theory of the Sense of Odour, Perfumery and Essential Oil Record 27 (1936): 202.

78

M. Heyninx, La physiologie de l’olfaction, Revue d’Oto-Neuro-Ophthalmology 11 (1933): 10–19.

79

T. H. Durrans, The ‘Residual Affinity’ Odour Theory, Perfumery and Essential Oil Record 11 (1920): 391–393; C. E. Pressler, Theories on Odors, Drug and Cosmetic Industry 62 (1948): 180–182.

80

Gertrud Woker, The Relations between Structure and Smell in Organic Compounds, Journal of Physical Chemistry 10 (1906): 455–473.

81

Gösta Ehrensvärd, Über die Primärvorgänge bei Chemozeptoren-beeinflussung, Acta physiologica Scandinavica 3, suppl. 9 (1942): 151.

82

J. LeMagnen, Analyse d’odeurs complexes et homologues par fatigue, Comptes rendus de l’Académie des Sciences 226 (1949): 753–754; M. Ghir-landa, Sulla presenza di glicogena nella mucosa olfattoria, puo’avere il glicogeno nasale rapporto con la funzione dell’olfatto? Atti dell’Accademia delle Scienze di Siena, detta dei fisiocritici 18 (1950): 407–412.

83

J. H. Kremer, Adsorption de matières odorantes et de narcotiques odorants par les lipoïdes, Archives Néerlandaises de Physiologie de l’Homme et des Animaux 1 (1916–1917): 715–725.

84

G. B. Kistiakowsky, On the Theory of Odours, Science 112 (1950): 154–155.

85

John E. Amoore, Current Status of the Steric Theory of Odor, Annals of the New York Academy of Sciences 116, no. 2 (1964): 457–476; John E. Amoore, Recent Advances in Odor: Theory, Measurement, and Control (New York: New York Academy of Sciences, 1964), 457–476; John E. Amoore, The Molecular Basis of Odor (Springfield, IL: Thomas, 1970).

86

Потеря обоняния. – Прим. науч. ред.

87

Небольшая молекула, связывающаяся с молекулой белка, чаще всего рецептором (в этом случае лиганд является сигнальной молекулой). – Прим. ред.

88

Linus Pauling, Molecular Architecture and Biological Reactions, Chemical and Engineering News 24, no. 10 (1946): 1375–1377.

89

Robert W. Moncrieff, What Is Odor? A New Theory, American Perfumer 54 (1949): 453.

90

Günther Ohloff, Scent and Fragrances: The Fascination of Odors and Their Chemical Perspectives, (New York: Springer, 1994).

91

Günther Ohloff, Relationship between Odor Sensation and Stereochemistry of Decalin Ring Compounds, in Gustation and Olfaction, ed. G. Ohloff and A. F. Thomas (Cambridge, MA: Academic Press, 1971), 178–183.

92

Ohloff, Pickenhagen, and Kraft, Scent and Chemistry.

93

Charles S. Sell, Fundamentals of Fragrance Chemistry (Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2019); Paolo Pelosi, On the Scent: A Journey Through the Science of Smell (Oxford: Oxford University Press, 2016).

94

Karen J. Rossiter, Structure-Odor Relationships, Chemical Reviews 96, no. 8 (1996): 3201–3240; M. Chastrette, Trends in Structure-Odor Relationship, SAR and QSAR in Environmental Research 6, no. 3–4 (1997): 215–254; Charles S. Sell, On the Unpredictability of Odor, Angewandte Chemie International Edition 45, no. 38 (2006): 6254–6261.

95

Ann-Sophie Barwich, Bending Molecules or Bending the Rules? The Application of Theoretical Models in Fragrance Chemistry, Perspectives on Science 23, no. 4 (2015): 443–465.

96

Maxwell M. Mozell, The Spatiotemporal Analysis of Odorants at the Level of the Olfactory Receptor Sheet, Journal of General Physiology 50, no. 1 (1966): 25–41; Paul F. Kent et al., Mucosal Activity Patterns as a Basis for Olfactory Discrimination: Comparing Behavior and Optical Recordings, Brain Research 981, no. 1–2 (2003): 1–11.

97

Поглощение жидкости или газа объектом из другого материала (адсорбентом). – Прим. ред.

98

Linda B. Buck and Richard Axel, A Novel Multigene Family May Encode Odorant Receptors: A Molecular Basis for Odor Recognition, Cell 65, no. 1 (1991): 175–187.

99

Стюарт Фаерштейн (Stuart Firestein), неопубликованное выступление на лекции в Харвейском обществе, 18 мая 2016. Спасибо Стюарту Фаерштейну за предоставление этого материала.

100

Stuart Firestein, Charles Greer, and Peter Mombaerts, The Molecular Basis for Odor Recognition, Cell Annotated Classics, March 20, 2019, https://www.cell.com/pb/assets/raw/journals/research/cell/libraries/annotated-classics/ACBuck.pdf.

101

Stuart Firestein, A Nobel Nose: The 2004 Nobel Prize in Physiology and Medicine, Neuron 45, no. 3 (2005): 333–338; Richard Axel, Scents and Sensibility: A Molecular Logic of Olfactory Perception (Нобелевская лекция), Angewandte Chemie International Edition 44, no. 38 (2005): 6110–6127; Linda B. Buck, Unraveling the Sense of Smell (Нобелевская лекция), Angewandte Chemie International Edition 44, no. 38 (2005): 6128–6140.

102

Зрительный пигмент. – Прим. ред.

103

Ann-Sophie Barwich and Karim Bschir, The Manipulability of What? The History of G-Protein Coupled Receptors, Biology & Philosophy 32, no. 6 (2017): 1317–1339; Robert J. Lefkowitz, A Brief History of G-protein Coupled Receptors (Нобелевская лекция), Angewandte Chemie International Edition 52, no. 25 (2013): 6366–6378; Sara Snogerup-Linse, Studies of G-protein Coupled Receptors. The Nobel Prize in Chemistry 2012. Award Ceremony Speech, Royal Swedish Academy of Sciences (2012), https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/presentation-speech.html.

104

Ann-Sophie Barwich, What Is So Special about Smell? Olfaction as a Model System in Neurobiology, Postgraduate Medical Journal 92 (2015): 27–33.

105

Nicholas Wade, Scientist at Work/Kary Mullis; After the ‘Eureka’, a Nobelist Drops Out, New York Times, 15 сентября 1998, https://www.nytimes.com/1998/09/15/science/scientist-at-work-kary-mullis-after-the-eureka-a-nobelist-drops-out.html; История ПЦР: Paul Rabinow, Making PCR: A Story of Biotechnology (Chicago: University of Chicago Press, 2011).

106

Chaim Linhart and Ron Shamir, The Degenerate Primer Design Problem, Bioinformatics 18, suppl. 1 (2002): S172–S181.

107

David Hubel, Eye, Brain, and Vision, Scientific American Library 22 (New York: W. H. Freeman, 1988); Patricia Smith Churchland, Neurophilosophy: Toward a Unified Science of the Mind-Brain (Cambridge, MA: MIT Press, 1989).

108

Состояние, при котором люди с поврежденной первичной зрительной корой головного мозга могут распознавать зрительные образы, которые они сознательно не воспринимают. – Прим. ред.

109

David H. Hubel and Torsten N. Wiesel, Brain and Visual Perception: The Story of a 25-Year Collaboration (New York: Oxford University Press, 2004).

110

Barbara Tizard, Theories of Brain Localization from Flourens to Lashley, Medical History 3, no. 2 (1959): 132–145; Stanley Finger, Origins of Neuroscience: A History of Explorations into Brain Function (Oxford: Oxford University Press, 2001); Erhard Oeser, Geschichte der Hirnforschung: Von der Antike bis zur Gegenwart, 2nd ed. (Darmstadt, Germany: WBG, 2010); S. Finger, The Birth of Localization Theory, chap. 10 in Handbook of Clinical Neurology 95 (3rd series), History of Neurology, ed. M. Aminoff, F. Boller, and D. Swaab (Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2010), 117–128.

111

Д. Уотсон и Ф. Крик опубликовали статью с описанием структуры двойной спирали ДНК в 1953 году. Фотографии Р. Франклин, на которые опирались Уотсон и Крик, были сделаны в 1951 году. – Прим. науч. ред.

112

Lily E. Kay, Who Wrote the Book of Life? A History of the Genetic Code (Palo Alto, CA: Stanford University Press, 2000).

113

Stephen William Kuffler, Neurons in the Retina: Organization, Inhibition and Excitatory Problems, Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 17 (1952): 281–292; Stephen William Kuffler, Discharge Patterns and Functional Organization of Mammalian Retina, Journal of Neurophysiology 16, no. 1 (1953): 37–68.

114

Jerome Y. Lettvin et al., What the Frog’s Eye Tells the Frog’s Brain, IEEE Xplore: Proceedings of the Institute of Radio Engineers 47, no. 11 (1959): 1940–1951.

115

Gordon M. Shepherd, Creating Modern Neuroscience: The Revolutionary 1950s (New York: Oxford University Press, 2009).

116

Hubel, Eye, Brain, and Vision, 115.

117

Vernon B. Mountcastle, Modality and Topographic Properties of Single Neurons of Cat’s Somatic Sensory Cortex, Journal of Neurophysiology 20, no. 4 (1957): 408–434; Vernon B. Mountcastle, Vernon B. Mountcastle, in The History of Neuroscience in Autobiography, vol. 6, ed. L. Squire (New York: Oxford University Press, 2009), 342–379.

118

Jennifer F. Linden and Christoph E. Schreiner, Columnar Transformations in Auditory Cortex? A Comparison to Visual and Somatosensory Cortices? Cerebral Cortex 13, no. 1 (2003): 83–89.

119

Jonathan C. Horton and Daniel L. Adams, The Cortical Column: A Structure without a Function, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 360, no. 1456 (2005): 837–862.

120

Henry J. Alitto and Dan Yang, Function of Inhibition in Visual Cortical Processing, Current Opinion in Neurobiology 20, no. 3 (2010): 340–346.

121

Bettina Malnic et al., Combinatorial Receptor Codes for Odors, Cell 96, no. 5 (1999): 713–723; Шеферд и Файрштейн предложили похожий механизм: Gordon M. Shepherd and Stuart Firestein, Toward a Pharmacology of Odor Receptors and the Processing of Odor Images, Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology 39, no. 4 (1991): 583–592.

122

Hans Henning, Der Geruch (Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1916); John E. Amoore, Specific Anosmia and the Concept of Primary Odors, Chemical Senses 2, no. 3 (1977): 267–281.

123

Haiqing Zhao et al., Functional Expression of a Mammalian Odorant Receptor, Science 279 (1998): 237–242.

124

Michael S. Singer, Analysis of the Molecular Basis for Octanal Interactions in the Expressed Rat I7 Olfactory Receptor, Chemical Senses 25, no. 2 (2000): 155–165.

125

Sandeepa Dey et al., Assaying Surface Expression of Chemosensory Receptors in Heterologous Cells, Journal of Visualized Experiments 48 (2011): e2405; Hiro Matsunami, Mammalian Odorant Receptors: Heterologous Expression and Deorphanization, Chemical Senses 41, no. 9 (2016): E123. В качестве обзора по этой теме см.: Zita Peterlin, S. Firestein, and Matthew E. Rogers, The State of the Art of Odorant Receptor Deorphanization: A Report from the Orphanage, Journal of General Physiology 143, no. 5 (2014): 527–542.

126

Joel D. Mainland et al., Human Olfactory Receptor Responses to Odorants, Scientific Data 2 (2015): 150002.

127

Kerry J. Ressler, Susan L. Sullivan, and Linda B. Buck, A Zonal Organization of Odorant Receptor Gene Expression in the Olfactory Epithelium, Cell 73, no. 3 (1993): 597–609.

128

Ramón y Cajal, Studies on the Human Cerebral Cortex IV: Structure of the Olfactory Cerebral Cortex of Man and Mammals, in Cajal on the Cerebral Cortex: An Annotated Translation of the Complete Writings, ed. J. DeFelipe and E. G. Jones (1901/02; New York: Oxford University Press, 1988), 289 (курсив автора).

129

Robert Vassar et al., Topographic Organization of Sensory Projections to the Olfactory Bulb, Cell 79, no. 6 (1994): 981–991.

130

Gordon M. Shepherd, Neurogastronomy: How the Brain Creates Flavor and Why It Matters (New York: Columbia University Press, 2012), 66.

131

Edgar D. Adrian, Olfactory Reactions in the Brain of the Hedgehog, Journal of Physiology 100, no. 4 (1942): 459–473; Edgar D. Adrian, Sensory Messages and Sensation: The Response of the Olfactory Organ to Different Smells, Acta Physiologica Scandinavica 29, no. 1 (1953): 12–13.

132

Gordon M. Shepherd, Gordon M. Shepherd, in The History of Neuroscience in Autobiography, vol. 7, ed. L. R. Squire, Society for Neuroscience, accessed March 31, 2019, http://www.sfn.org/About/History-of-Neuroscience/Autobiographical-Chapters.

133

Frank. R. Sharp, John S. Kauer, and Gordon M. Shepherd, Local Sites of Activity-Related Glucose Metabolism in Rat Olfactory Bulb during Odor Stimulation, Brain Research 98, no. 3 (1975): 596–600; William B. Stewart, John S. Kauer, and Gordon M. Shepherd, Functional Organization of the Rat Olfactory Bulb Analyzed by the 2-deoxyglucose Method, Journal of Comparative Neurology 185, no. 4 (1979): 489–495.

134

Peter Mombaerts et al., Visualizing an Olfactory Sensory Map, Cell 87, no. 4 (1996): 675–686.

135

Fuqiang Xu, Charles A. Greer, and Gordon M. Shepherd, Odor Maps in the Olfactory Bulb, Journal of Comparative Neurology 422, no. 4 (2000): 489–495; Gordon M. Shepherd, W. R. Chen, and Charles A. Greer, Olfactory Bulb, in The Synaptic Organization of the Brain, ed. G. M. Shepherd (Oxford: Oxford University Press, 2004), 165–216.

136

Quo vadis (лат.) – Куда идешь?

137

Эмерджентность – наличие у системы свойств, не присущих её компонентам по отдельности. – Прим. ред.

138

Günther Ohloff, Wilhelm Pickenhagen, and Philip Kraft, Scent and Chemistry: The Molecular World of Odors (Zürich: Wiley-VCH, 2011); Paolo Pelosi, On the Scent: A Journey through the Science of Smell (Oxford: Oxford University Press, 2016).

139

Donald A. Wilson and Richard J. Stevenson, Learning to Smell: Olfactory Perception from Neurobiology to Behavior (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2006).

140

Gordon M. Shepherd, Neurogastronomy: How the Brain Creates Flavor and Why It Matters (New York: Columbia University Press, 2012).

141

Constance Classen, David Howes, and Anthony Synnott, Aroma: The Cultural History of Smell (London: Routledge, 1994); Jim Drobnick, ed., The Smell Culture Reader (New York: Berg, 2006).

142

Andreas Keller, Philosophy of Olfactory Perception (New York: Palgrave Macmillan, 2017); Barry C. Smith, The Nature of Sensory Experience: The Case of Taste and Tasting, Phenomenology and Mind 4 (2016): 212–227; Clare Batty, A Representational Account of Olfactory Experience, Canadian Journal of Philosophy 40, no. 4 (2010): 511–538.

143

Jean-Claude Ellena, The Diary of a Nose: A Year in the Life of a Parfumeur (London: Particular Books, 2012).

144

Paul H. Freedman, ed., Food: The History of Taste (Berkeley: University of California Press, 2007).

145

Nadia Berenstein, Designing Flavors for Mass Consumption, Senses and Society 13, no. 1 (2018): 19–40.

146

Самонаблюдение, изучение психических процессов самим человеком. – Прим. науч. ред.

147

Russell S. J. Keast and Andrew Costanzo, Is Fat the Sixth Taste Primary? Evidence and Implications, Flavour 4, no. 1 (2015): 5.

148

Linda M. Bartoshuk, Taste, Stevens’ Handbook of Experimental Psychology and Cognitive Neuroscience 2 (2018): 121–154.

149

Комплексное ощущение в полости рта, вызываемое вкусом, запахом и текстурой пищи. – Прим. ред.

150

International Standards Organization, ISO 18794:2018(en), https://www.iso.org/obp/ui/#iso: std: iso:18794:ed-1:v1:en: term:3.1.6.

151

Седьмая пара черепно-мозговых нервов. – Прим. науч. ред.

152

Roger Jankowski, The Evo-Devo Origin of the Nose, Anterior Skull Base and Midface (Paris: Springer, 2016), chap. 6.

153

Dana M. Small et al., Differential Neural Responses Evoked by Orthonasal versus Retronasal Odorant Perception in Humans, Neuron 47, no. 4 (2005): 593–605.

154

Charles Spence, Oral Referral: On the Mislocalization of Odours to the Mouth, Food Quality and Preference 50 (2016): 117–128.

155

The Truth about Youth, McCann Worldgroup, 2011, https://mccann.com.au/wp-content/uploads/the-truth-about-youth.pdf.

156

David Melcher and Zoltán Vidnyánszky, Subthreshold Features of Visual Objects: Unseen but Not Unbound, Vision Research 46, no. 12 (2006): 1863–1867.

157

Birgitta Dresp-Langley, Why the Brain Knows More than We Do: Non-conscious Representations and Their Role in the Construction of Conscious Experience, Brain Sciences 2, no. 1 (2011): 1–21.

158

Andreas Keller et al., Genetic Variation in a Human Odorant Receptor Alters Odour Perception, Nature 449, no. 7161 (2007): 468; Casey Trimmer et al., Genetic Variation across the Human Olfactory Receptor Repertoire Alters Odor Perception, Proceedings of the National Academy of Sciences 116, no. 19 (2019): 9475–9480.

159

Nicholas Eriksson et al., A Genetic Variant near Olfactory Receptor Genes Influences Cilantro Preference, Flavour 1, no. 1 (2012): 22.

160

Философский термин для обозначения сенсорных, чувственных явлений любого рода. – Прим. ред.

161

Michael Tye, Qualia, in Stanford Encyclopedia of Philosophy, ed. E. Zalta, https://plato.stanford.edu/entries/qualia/.

162

Richard L. Doty, Avron Marcus, and W. William Lee, Development of the 12-Item Cross-Cultural Smell Identification Test (CC-SIT), Laryngoscope 106, no. 3 (1996): 353–356.

163

Gordon M. Shepherd, The Human Sense of Smell: Are We Better than We Think? PLoS Biology 2, no. 5 (2004): e146.

164

Yaara Yeshurun and Noam Sobel, An Odor Is Not Worth a Thousand Words: From Multidimensional Odors to Unidimensional Odor Objects, Annual Review of Psychology 61 (2010): 219–241.

165

Shepherd, Neurogastronomy, chap. 8.

166

Тайлер Лориг – американский профессор, специалист в области обоняния. – Прим. пер.

167

Tyler S. Lorig, On the Similarity of Odor and Language Perception, Neuroscience & Biobehavioral Reviews 23, no. 3 (1999): 391–398.

168

Asifa Majid and Niclas Burenhult, Odors Are Expressible in Language, as Long as You Speak the Right Language, Cognition 130, no. 2 (2014): 266–270.

169

Ewelina Wnuk and Asifa Majid, Revisiting the Limits of Language: The Odor Lexicon of Maniq, Cognition 131, no. 1 (2014): 125–138.

170

Jonas K. Olofsson and Donald A. Wilson, Human Olfaction: It Takes Two Villages, Current Biology 28, no. 3 (2018): R108–R110.

171

Andrew Dravnieks, Atlas of Odor Character Profiles (Philadelphia: ASTM, 1985).

172

Отсылка к картине художника-сюрреалиста Рене Магритта «Вероломство образов». – Прим. ред.

173

René Magritte, The Treachery of Images (Los Angeles: Los Angeles County Museum of Art, 1929).

174

William G. Lycan, Consciousness and Experience (Cambridge, MA: MIT Press, 1996).

175

Benjamin D. Young, Smelling Matter, Philosophical Psychology 29, no. 4 (2016): 520–534.

176

Ann-Sophie Barwich, A Critique of Olfactory Objects, Frontiers in Psychology (June 12, 2019), http://doi.org/10.3389/fpsyg.2019.01337.

177

Сходство свойств веществ вследствие сходства их структуры. – Прим. ред.

178

Tali Weiss et al., Perceptual Convergence of Multi-component Mixtures in Olfaction Implies an Olfactory White, Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 49 (2012): 19959–19964.

179

В качестве примера: Robert W. Moncrieff, The Chemical Senses (London: L. Hill, 1944); Ruth Gross-Isseroff and Doron Lancet, Concentration-Dependent Changes of Perceived Odour Quality, Chemical Senses 13, no. 2 (1988): 191–204; Andrew Dravnieks, Odor Measurement, Environmental Letters 3, no. 2 (1972): 81–100.

180

Henk Maarse, ed., Volatile Compounds in Foods and Beverages (New York and Basel: Marcel Dekker, 1991).

181

Kathleen M. Dorries et al., Changes in Sensitivity to the Odor of Androstenone during Adolescence, Developmental Psychobiology 22, no. 5 (1989): 423–435.

182

Donald A. Wilson, Pattern Separation and Completion in Olfaction, Annals of the New York Academy of Sciences 1170, no. 1 (2009): 306–312.

183

Dan Rokni et al., An Olfactory Cocktail Party: Figure-Ground Segregation of Odorants in Rodents, Nature Neuroscience 17, no. 9 (2014): 1225.

184

Christophe Laudamiel, The Human Sense of Smell, Center for Science and Society at Columbia University, видео на YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=C7uhbnRJvc8.

185

Daniel C. Dennett, Consciousness Explained (New York: Back Bay Books, 1991), 9.

186

Теодор Фонтейн (1819–1898) – немецкий поэт и романист. – Прим. пер.

187

Andreas A. Keller and Leslie B. Vosshall, Human Olfactory Psycho-physics, Current Biology 14, no. 20 (2004): R875–R878.

188

Idan Frumin et al., A Social Chemosignaling Function for Human Handshaking, eLife 4 (2015): e05154.

189

Clare Batty, A Representational Account of Olfactory Experience, Canadian Journal of Philosophy 40, no. 4 (2010): 511–538; Clare Batty, What the Nose Doesn’t Know: Non-veridicality and Olfactory Experience, Journal of Consciousness Studies 17, no. 3–4 (2010): 10–27; Clare Batty, Smell, Philosophical Perspectives, in Encyclopedia of the Mind, ed. H. E. Pashler (Los Angeles: SAGE, 2013), 700–704.

190

Интенциональность – философское понятие, обозначающее центральное свойство человеческого сознания – быть направленным на некоторый объект. – Прим. ред.

191

Tim Crane, Elements of the Mind: An Introduction to the Philosophy of Mind (Oxford: Oxford University Press, 2001).

192

Jean-Jacques Rousseau, Emilius and Sophia: Or, A New System of Education, vol. 1 (London: T. Becket and P.A. de Hondt, 1763), 294.

193

Oliver Wendell Holmes, The Autocrat of the Breakfast-Table (Boston: Tricknor and Fields, 1865), 88; для сравнения: Constance Classen, David Howes, and Anthony Synnott, Aroma: The Cultural History of Smell (London: Routledge, 1994), 87.

194

Jean-Paul Guerlain, quoted in Suzanne Biallôt, Taking Leave of Your Senses, Elle 8, no. 1 (1992): 266; Jean-Paul Guerlain, quoted in Ellen Stern, Shalimar and the House of Guerlain, Gourmet 56, no. 3 (1996): 84.

195

Marcel Proust, Within a Budding Grove, in Remembrance of Things Past, vol. 1, Swann’s Way, trans. C. K. Scott Moncrieff (1922; New York: Modern Library, 1992), 48.

196

Цит. по: Пруст Марсель. В поисках утраченного времени: В сторону Свана. СПб.: Сов. писатель, 1992. Перевод А. А. Франковского.

197

Crétien Van Campen, The Proust Effect: The Senses as Doorways to Lost Memories, trans. J. Ross (Oxford: Oxford University Press, 2014).

198

Avery N. Gilbert, What the Nose Knows: The Science of Scent in Everyday Life (New York: Crown Publisher, 2008), chap. 10, esp. 351.

199

Rachel S. Herz, Trygg Engen, Pioneer of Olfactory Psychology, 1926–2009, Chemosensory Perception 3, no. 2 (2010): 135; Gesualdo Zucco, Professor Trygg Engen (1926–2009), Chemical Senses 35, no. 3 (2010): 181–182.

200

Harry T. Lawless and William S. Cain, Recognition Memory for Odors, Chemical Senses 1, no. 3 (1975): 331–337.

201

Rachel Herz and Trygg Engen, Odor Memory: Review and Analysis, Psychonomic Bulletin & Review 3, no. 3 (1996): 300–313.

202

Harry T. Lawless and Trygg Engen, Associations to Odors: Interference, Mnemonics, and Verbal Labeling, Journal of Experimental Psychology: Human Learning and Memory 3, no. 1 (1977): 52.

203

Кадеверин (1,5-диаминопентан) – один из продуктов гниения, ответственных за характерный «трупный запах». – Прим. пер

204

Lizzie Ostrom, Perfume: A Century of Scents (London: Random House, 2015); Laura Eliza Enriquez, Perfume: A Sensory Journey through Contemporary Scent, The Senses and Society 13, no. 1 (2018): 126–130.

205

Rachel Herz, Perfume, in Neurobiology of Sensation and Reward, Frontiers in Neuroscience, ed. J. Gottfried (Boca Raton, FL: CRC Press, 2011), 371.

206

Benoist Schaal, Luc Marlier, and Robert Soussignan, Human Foetuses Learn Odours from Their Pregnant Mother’s Diet, Chemical Senses 25, no. 6 (2000): 729–737.

207

В качестве примера: Paul Rozin and Edward B. Royzman, Negativity Bias, Negativity Dominance, and Contagion, Personality and Social Psychology Review 5, no. 4 (2001): 296–320; Paul Rozin, Amy Wrzesniewski, and Deidre Byrnes, The Elusiveness of Evaluative Conditioning, Learning and Motivation 29, no. 4 (1998): 397–415.

208

Alain Corbin, The Foul and the Fragrant: Odor and the French Social Imagination (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1986).

209

Melanie A. Kiechle, Smell Detectives: An Olfactory History of Nineteenth-Century Urban America (Seattle: University of Washington Press, 2017).

210

K. Liddell, Smell as a Diagnostic Marker, Postgraduate Medical Journal 52, no. 605 (1976): 136–138.

211

В качестве примера: Michael McCulloch et al., Diagnostic Accuracy of Canine Scent Detection in Early– and Late-Stage Lung and Breast Cancers, Integrative Cancer Therapies 5, no. 1 (2006): 30–39; Leon Frederick Campbell et al., Canine Olfactory Detection of Malignant Melanoma, BMJ Case Reports (2013): bcr2013008566.

212

Elizabeth Quigley, Scientists Sniff Out Parkinson’s Disease Smell, BBC News, 18 декабря 2017, https://www.bbc.com/news/uk-scotland-42252411.

213

Claire Guest, Daisy’s Gift: The Remarkable Cancer-Detecting Dog Who Saved My Life (New York: Random House, 2016).

214

Ann-Sophie Barwich and Hasok Chang, Sensory Measurements: Coordination and Standardization, Biological Theory 10, no. 3 (2015): 200–211.

215

Richard L. Doty, Paul Shaman, and Michael Dann, Development of the University of Pennsylvania Smell Identification Test: A Standardized Microencapsulated Test of Olfactory Function, Physiology & Behavior 32, no. 3 (1984): 489–502; Daniel A. Deems et al., Smell and Taste Disorders, a Study of 750 Patients from the University of Pennsylvania Smell and Taste Center, Archives of Otolaryngology – Head & Neck Surgery 117, no. 5 (1991): 519–528; Richard L. Doty, Smell and the Degenerating Brain, The Scientist, 1 октября 2013, http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/37603/title/Smell-and-the-Degenerating-Brain/; Isabelle A. Tourbier and Richard L. Doty, Sniff Magnitude Test: Relationship to Odor Identification, Detection, and Memory Tests in a Clinic Population, Chemical Senses 32, no. 6 (2007): 515–523.

216

Andreas F. Temmel et al., Characteristics of Olfactory Disorders in Relation to Major Causes of Olfactory Loss, Archives of Otolaryngology – Head & Neck Surgery 128, no. 6 (2002): 635–641; Thomas Hummel, Basile N. Landis, and Karl-Bernd Hüttenbrink, Smell and Taste Disorders, GMS Current Topics in Otorhinolaryngology, Head and Neck Surgery 10 (2011): Doc04.

217

Thomas Hummel et al., ‘Sniffin’ Sticks’: Olfactory Performance Assessed by the Combined Testing of Odor Identification, Odor Discrimination and Olfactory Threshold, Chemical Senses 22, no. 1 (1997): 39–52.

218

Jörn Lötsch, Heinz Reichmann, and Thomas Hummel, Different Odor Tests Contribute Differently to the Evaluation of Olfactory Loss, Chemical Senses 33, no. 1 (2008): 17–21.

219

Avery N. Gilbert et al., Olfactory Discrimination of Mouse Strains (Mus musculus) and Major Histocompatibility Types by Humans (Homo sapiens), Journal of Comparative Psychology 100, no. 3 (1986): 262.

220

Claus Wedekind et al., MHC-Dependent Mate Preferences in Humans, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 260, no. 1359 (1995): 245–249; Manfred Milinski, The Major Histocompatibility Complex, Sexual Selection, and Mate Choice, Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 37 (2006): 159–186; Andreas Ziegler, Heribert Kentenich, and Barbara Uchanska-Ziegler, Female Choice and the MHC, Trends in Immunology 26, no. 9 (2005): 496–502; Claire Dandine-Roulland et al., Genomic Evidence for MHC Disassortative Mating in Humans, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 286, no. 1899 (2019), https://doi.org/10.1098/rspb.2018.2664.

221

Shani Gelstein et al., Human Tears Contain a Chemosignal, Science 331, no. 6014 (2011): 226–230.

222

Michael J. Russell, Human Olfactory Communication, Nature 260 (1976): 520–522.

223

Исходное исследование: Martha K. McClintock, Menstrual Synchrony and Suppression, Nature 229 (1971): 244–245; критическая оценка: Jeffrey C. Schank, Menstrual-Cycle Synchrony: Problems and New Directions for Research, Journal of Comparative Psychology 115 (2001): 3–15; дополнительный контекст: Donald A. Wilson and Richard J. Stevenson, Learning to Smell: Olfactory Perception from Neurobiology to Behavior (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2006).

224

Kobi Snitz et al., SmellSpace: An Odor-Based Social Network as a Platform for Collecting Olfactory Perceptual Data, Chemical Senses 44, no. 4 (2019): 267–278.

225

Shlomo Wagner et al., A Multireceptor Genetic Approach Uncovers an Ordered Integration of VNO Sensory Inputs in the Accessory Olfactory Bulb, Neuron 50, no. 5 (2006): 697–709; Stephen D. Liberles and Linda B. Buck, A Second Class of Chemosensory Receptors in the Olfactory Epithelium, Nature 442, no. 7103 (2006): 645.

226

Peter Karlson and Martin Lüscher, ‘Pheromones’: A New Term for a Class of Biologically Active Substances, Nature 183 (1959): 55–56.

227

Tristram D. Wyatt, Fifty Years of Pheromones, Nature 457, no. 7227 (2009): 262.

228

Richard L. Doty, The Great Pheromone Myth (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2010).

229

В качестве примера: Milos Novotny et al., Synthetic Pheromones That Promote Inter-male Aggression in Mice, Proceedings of the National Academy of Sciences 82, no. 7 (1985): 2059–2061.

230

Benoist Schaal et al., Chemical and Behavioural Characterization of the Rabbit Mammary Pheromone, Nature 424, no. 6944 (2003): 68.

231

Stephen D. Liberles, Mammalian Pheromones, Annual Review of Physiology 76 (2014): 151–175.

232

Tristram D. Wyatt, Pheromones and Animal Behaviour: Communication by Smell and Taste (Cambridge: Cambridge University Press, 2003).

233

О концептуальном сравнении «перцептивного пространства» в разных модальностях: Ingvar Johansson, Perceptual Spaces Are Sense-Modality-Neutral, Open Philosophy 1, no. 1 (2018): 14–39. Я согласна с Йоханссоном, что пространственное отображение требует интегрированного анализа модальностей, но не согласна с пренебрежением к различиям в пространственном кодировании в разных системах чувств.

234

John Locke, An Essay Concerning Human Understanding (London: Thomas Bassett, 1690).

235

Thomas Nagel, What Is It Like to Be a Bat? Philosophical Review 83, no. 4 (1974): 435–450.

236

Margaret Livingstone, Vision and Art: The Biology of Seeing (New York: Harry N. Abrams, 2002).

237

Mazviita Chirimuuta, Outside Color: Perceptual Science and the Puzzle of Color in Philosophy (Cambridge, MA: MIT Press, 2015).

238

Joel D. Mainland et al., From Molecule to Mind: An Integrative Perspective on Odor Intensity, Trends in Neurosciences 37, no. 8 (2014): 443–454.

239

Yevgeniy B. Sirotin, Roman Shusterman, and Dmitry Rinberg, Neural Coding of Perceived Odor Intensity, eNeuro 2, no. 6 (2015): ENEURO.0083-15.2015.

240

Daniel C. Dennett, Consciousness Explained (London: Penguin, 1991).

241

Neil J. Vickers et al., «Odour-Plume Dynamics Influence the Brain’s Olfactory Code», Nature 410, no. 6827 (2001): 466; Antonio Celani, Emmanuel Villermaux, and Massimo Vergassola, «Odor Landscapes in Turbulent Environments», Physical Review X 4, no. 4 (2014): 041015, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.041015; Ring T. Cardé and Mark A. Willis, «Navigational Strategies Used by Insects to Find Distant, Wind-Borne Sources of Odor», Journal of Chemical Ecology 34, no. 7 (2008): 854–866; Seth A. Budick and Michael H. Dickinson, «Free-Flight Responses of Drosophila melanogaster to Attractive Odors», Journal of Experimental Biology 209 (2006): 3001–017.

242

Инфотаксис – алгоритм движения насекомого к источнику запаха, повышающий эффективность поиска. – Прим. пер.

243

Massimo Vergassola, Emmanuel Villermaux, and Boris I. Shraiman, «‘Infotaxis’ as a Strategy for Searching without Gradients», Nature 445, no. 7126 (2007): 406.

244

Энактивизм и эмбодимент – философские теории. Энактивизм предполагает, что сознание – это естественная активность человека, и познание происходит путем включения человека в мир, энактивации мира. Концепция эмбодимента, или «воплощенного сознания», постулирует, что мы познаем не мозгом, а всем своим существом, что сознание «распределено» во всем теле. – Прим. пер.

245

Noam Sobel et al., «Sniffing Longer rather than Stronger to Maintain Olfactory Detection Threshold», Chemical Senses 25, no. 1 (2000): 1–8; Stefan Heilmann and Thomas Hummel, «A New Method for Comparing Orthonasal and Retronasal Olfaction», Behavioral Neuroscience 118, no. 2 (2004): 412–419; Kai Zhao et al., «Effect of Anatomy on Human Nasal Air Flow and Odorant Transport Patterns: Implications for Olfaction», Chemical Senses 29, no. 5 (2004): 365–379.

246

Joel Mainland and Noam Sobel, The Sniff Is Part of the Olfactory Percept, Chemical Senses 31, no. 2 (2005): 181–196.

247

M. Hasegawa and E. B. Kern, The Human Nasal Cycle, Mayo Clinic Proceedings 52, no. 1 (1977): 28–34; R. Kahana-Zweig et al., Measuring and Characterizing the Human Nasal Cycle, PloS One 11, no. 10 (2016): e0162918.

248

Lucia F. Jacobs et al., Olfactory Orientation and Navigation in Humans, PloS One 10, no. 6 (2015): e0129387.

249

Jess Porter et al., Mechanisms of Scent-Tracking in Humans, Nature Neuroscience 10, no. 1 (2007): 27.

250

Alexandra Horowitz, Inside of a Dog: What Dogs See, Smell, and Known (New York: Simon and Schuster, 2010).

251

Matt Wachowiak, All in a Sniff: Olfaction as a Model for Active Sensing, Neuron 71, no. 6 (2011): 962–973.

252

James J. Gibson, The Senses Considered as Perceptual Systems (Boston: Houghton Mifflin, 1966); James J. Gibson, The Ecological Approach to Visual Perception (1979; New York: Psychology Press, 2015).

253

Humberto R. Maturana, and Francisco J. Varela, Autopoiesis and Cognition: The Realization of the Living (Dordrecht, Netherlands: Springer Science&Business Media, 1991); Francisco J. Varela, Evan Thompson, and Eleanor Rosch, The Embodied Mind: Cognitive Science and Human Experience (Cambridge, MA: MIT Press, 2017).

254

Susan Hurley, Perception and Action: Alternative Views, Synthese 129, no. 1 (2001): 3–40; Fred Keijzer, Representation and Behavior (Cambridge, MA: MIT Press, 2001).

255

Rufin VanRullen, Perceptual Cycles, Trends in Cognitive Sciences 20, no. 10 (2016): 723–735.

256

Leslie M. Kay et al., Olfactory Oscillations: The What, How and What For, Trends in Neurosciences 32, no. 4 (2009): 207–214.

257

Christina Zelano et al., Nasal Respiration Entrains Human Limbic Oscillations and Modulates Cognitive Function, Journal of Neuroscience 36, no. 49 (2016): 12448–12467.

258

Rebecca Jordan et al., Active Sampling State Dynamically Enhances Olfactory Bulb Odor Representation, Neuron 98, no. 6 (2018): 1214–1228.

259

Rebecca Jordan, Mihaly Kollo, and Andreas T. Schaefer, Sniffing Fast: Paradoxical Effects on Odor Concentration Discrimination at the Levels of Olfactory Bulb Output and Behavior, eNeuro 5, no. 5 (2018): ENEURO.0148-18.2018.

260

Ulric Neisser, Cognition and Reality: Principles and Implication of Cognitive Psychology (New York: W. H. Freeman, 1976).

261

Hermann von Helmholtz, Concerning the Perceptions in General, in Treatise on Physiological Optics, vol. 3, ed. and trans. J.P. C. Southall (1866; New York: Optical Society of America, 1925), 1–37; Theo C. Meyering, Historical Roots of Cognitive Science: The Rise of a Cognitive Theory of Perception from Antiquity to the Nineteenth Century (Dordrecht, Netherlands: Springer, 2012), chaps. 7–11.

262

Paul M. Wise, Mats J. Olsson, and William S. Cain, Quantification of Odor Quality, Chemical Senses 25, no. 4 (2000): 429–443; Ann-Sophie Barwich, A Sense So Rare: Measuring Olfactory Experiences and Making a Case for a Process Perspective on Sensory Perception, Biological Theory 9, no. 3 (2014): 258–268.

263

Adam K. Anderson et al., Dissociated Neural Representations of Intensity and Valence in Human Olfaction, Nature Neuroscience 6, no. 2 (2003): 196; Dana M. Small et al., Dissociation of Neural Representation of Intensity and Affective Valuation in Human Gustation, Neuron 39, no. 4 (2003): 701–711; Joel D. Mainland et al., From Molecule to Mind: An Integrative Perspective on Odor Intensity, Trends in Neurosciences 37, no. 8 (2014): 443–454.

264

Ann-Sophie Barwich, A Critique of Olfactory Objects, Frontiers in Psychology (June 12, 2019), http://doi.org/10.3389/fpsyg.2019.01337.

265

Mike W. Oram and David I. Perrett, Modeling Visual Recognition from Neurobiological Constraints, Neural Networks 7, no. 6–7 (1994): 945–972.

266

Irving Biederman, Recognition-by-Components: A Theory of Human Image Understanding, Psychological Review 94, no. 2 (1987): 115.

267

Yukako Yamane et al., A Neural Code for Three-Dimensional Object Shape in Macaque Inferotemporal Cortex, Nature Neuroscience 11, no. 11 (2008): 1352.

268

Christopher Peacocke, Sensational Properties: Theses to Accept and Theses to Reject, Revue internationale de philosophie 62, no. 242 (2008): 11.

269

Многомерное восприятие звукового образа, которое отражает представление слушающих о расположении источника звука и о характеристиках пространства, в котором происходит звуковое событие. – Прим. ред.

270

Единица измерения расстояний, равная 10–10 м. – Прим. ред.

271

Andreas Keller et al., Predicting Human Olfactory Perception from Chemical Features of Odor Molecules, Science 355, no. 6327 (2017): 820–826.

272

Andreas Keller and Leslie B. Vosshall, Olfactory Perception of Chemically Diverse Molecules, BMC Neuroscience 17, no. 1 (2016): 55.

273

Краудсорсинг – привлечение неквалифицированных добровольцев, часто для работы в интернете, позволяющее максимально снизить расходы на исследование. – Прим. пер.

274

Ed Yong, Scientists Stink at Reverse-Engineering Smells, The Atlantic, 16 ноября 2016, https://www.theatlantic.com/science/archive/2016/11/how-to-reverse-engineer-smells/507608/.

275

Avery N. Gilbert, Can We Predict a Molecule’s Smell from Its Physical Characteristics? First Nerve, 23 февраля 2017, http://www.firstnerve.com/2017/02/can-we-predict-molecules-smell-from-its.html.

276

Черный ящик – алгоритм, для которого известны лишь входные и выходные данные. – Прим. ред.

277

Kerry J. Ressler, Susan L. Sullivan,and Linda B. Buck, A Zonal Organization of Odorant Receptor Gene Expression in the Olfactory Epithelium, Cell 73, no. 3 (1993): 597–609.

278

Шкала, для которой справедливо правило сложения. – Прим. ред.

279

Donald A. Wilson and Richard J. Stevenson, Learning to Smell: Olfactory Perception from Neurobiology to Behavior (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2006).

280

Erwan Poivet et al., Applying Medicinal Chemistry Strategies to Understand Odorant Discrimination, Nature Communications 7 (2016): 11157; Erwan Poivet et al., Functional Odor Classification through a Medicinal Chemistry Approach, Science Advances 4, no. 2 (2018): eaao6086.

281

Изучение упорядоченного пространственного расположения обонятельных клубочков. – Прим. ред.

282

Недоопределенная система – система уравнений, число уравнений в которой меньше числа неизвестных. Такая система либо имеет бесконечное число решений, либо не имеет решений вовсе. – Прим. ред.

283

Bettina Malnic et al., Combinatorial Receptor Codes for Odors, Cell 96, no. 5 (1999): 713–723.

284

«Флатландия» – роман Эдвина Э. Эбботта (1884 год); по роману было снято несколько фильмов, в том числе одноименный художественный фильм, в русском переводе получивший название «Плоский мир». – Прим. пер.

285

Edwin A. Abbott, Flatland: A Romance of Many Dimensions (1884; London: Penguin, 1987).

286

Lu Xu et al., Widespread Receptor Driven Modulation in Peripheral Olfactory Coding, bioRxiv: 760330, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/ 760330v1. Это исследование аспирант Фаерштейна Лу Сюй проводил в то время, когда я работала в их лаборатории, и оно еще не было опубликовано. Однако Фаерштейн представлял эти данные несколько раз к глубочайшему изумлению публики.

287

Matthew B. Bouchard et al., Swept Confocally-Aligned Planar Excitation (SCAPE) Microscopy for High-Speed Volumetric Imaging of Behaving Organisms, Nature Photonics 9, no. 2 (2015): 113.

288

Прохождение (или искуственное пропусканние) крови или лимфы через ткани организма. – Прим. ред.

289

Метод исследования системы гемостаза, обеспечивающей как сохранение жидкого состояния циркулирующей крови, так и предупреждение и остановку кровотечений. – Прим. ред.

290

Агонист – химическое соединение (лиганд), которое при взаимодействии с рецептором изменяет его состояние, вызывая биологический отклик; обычные агонисты усиливают отклик, обратные агонисты уменьшают его, а антагонисты блокируют действие рецептора. – Прим. пер.

291

William S. Cain, Odor Intensity: Mixtures and Masking, Chemical Senses 1, no. 3 (1975): 339–352; Douglas J. Gillan, Taste-Taste, Odor-Odor, and Taste-Odor Mixtures – Greater Suppression within than between Modalities, Perception & Psychophysics 33, no. 2 (1983): 183–185; David G. Laing et al., Quality and Intensity of Binary Odor Mixtures, Physiology & Behavior 33, no. 2 (1984): 309–319; Leslie M. Kay, Tanja Crk, and Jennifer Thorngate, A Redefinition of Odor Mixture Quality, Behavioral Neuroscience 119, no. 2 (2005): 726–733; Larry Cashion, Andrew Livermore, and Thomas Hummel, Odour Suppression in Binary Mixtures, Biological Psychology 73, no. 3 (2006): 288–297; M. A. Chaput et al., Interactions of Odorants with Olfactory Receptors and Receptor Neurons Match the Perceptual Dynamics Observed for Woody and Fruity Odorant Mixtures, European Journal of Neuroscience 35, no. 4 (2012): 584–597.

292

Ricardo C. Araneda, Abhay D. Kini, and Stuart Firestein, The Molecular Receptive Range of an Odorant Receptor, Nature Neuroscience 3, no. 12 (2000): 1248–1255; Yuki Oka et al., Olfactory Receptor Antagonism between Odorants, EMBO Journal 23, no. 1 (2004): 120–126; Georgina Cruz and Graeme Lowe, Neural Coding of Binary Mixtures in a Structurally Related Odorant Pair, Scientific Reports 3 (2013): 1220; Peterlin Zita et al., The Importance of Odorant Conformation to the Binding and Activation of a Representative Olfactory Receptor, Chemistry&Biology 15, no. 12 (2008): 1317–1327; Chaput et al., Interactions of Odorants with Olfactory Receptors.

293

Xu et al., Modulation in Peripheral Olfactory Coding.

294

P. K. Stanford, Exceeding Our Grasp: Science, History, and the Problem of Unconceived Alternatives (Oxford: Oxford University Press, 2006).

295

Firmenich, Firmenich Demonstrates Role of Smell to Accelerate New Toilet Economy, 7 ноября 2018, https://www.firmenich.com/en_INT/company/news/Firmenich-demonstrates-role-of-smell-to-accelerate-new-toilet-economy.html.

296

David G. Laing and G. W. Francis, The Capacity of Humans to Identify Odors in Mixtures, Physiology&Behavior 46, no. 5 (1989): 809–814; David G. Laing, Coding of Chemosensory Stimulus Mixtures, Annals of the New York Academy of Sciences 510 (1987): 61–66.

297

Marion E. Frank, Dane B. Fletcher, and Thomas P. Hettinger, Recognition of the Component Odors in Mixtures, Chemical Senses 42, no. 7 (2017): 537–546.

298

Thomas P. Hettinger and Marion E. Frank, Stochastic and Temporal Models of Olfactory Perception, Chemosensors 6, no. 4 (2018): 44.

299

Vicente Ferreira, Revisiting Psychophysical Work on the Quantitative and Qualitative Odour Properties of Simple Odour Mixtures: A Flavour Chemistry View. Part 2, Qualitative Aspects. A Review, Flavour&Fragrance Journal 27, no. 3 (2012): 201–215.

300

Madeleine M. Rochelle, Géraldine Julie Prévost, and Terry E. Acree, Computing Odor Images, Journal of Agricultural and Food Chemistry 66, no. 10 (2017): 2219–2225.

301

Конвергенция – совпадение каких-либо свойств организмов различных видов не в результате общности происхождения, а вследствие приспособления к относительно одинаковым условиям жизни. – Прим. ред.

302

Они же гломерулы. – Прим. науч. ред.

303

Ramón y Cajal, Croonian Lecture: La fine structure des centres nerveux, Proceedings of the Royal Society of London 55 (1894): 444–468; Ramón y Cajal, Studies on the Human Cerebral Cortex IV: Structure of the Olfactory Cerebral Cortex of Man and Mammals, in Cajal on the Cerebral Cortex: An Annotated Translation of the Complete Writings, ed. J. DeFelipe and E. G. Jones (1901/02; New York: Oxford University Press, 1988).

304

Steven Pinker, How the Mind Works (London: Penguin Books, 1998), 183; в переводе на русский язык: Пинкер Стивен, Как работает мозг, М.: Кучково поле, 2017.

305

John P. McGann, Poor Human Olfaction Is a 19th-Century Myth, Science 356, no. 6338 (2017): eaam7263.

306

Shyam Srinivasan and Charles F. Stevens, Scaling Principles of Distributed Circuits, Current Biology 29, no. 15 (2019): 2533–2540e.7.

307

Kara E. Yopak et al., A Conserved Pattern of Brain Scaling from Sharks to Primates, Proceedings of the National Academy of Sciences 107, no. 29 (2010): 12946–12951.

308

Межклеточном. – Прим. ред.

309

Leslie M. Kay and S. Murray Sherman, An Argument for an Olfactory Thalamus, Trends in Neurosciences 30, no. 2 (2007): 47–53.

310

Camillo Golgi, Sulla fina struttura dei bulbi olfactorii, Rivista sperimentale di freniatria e medicina legale 1 (1875): 66–78; английский перевод статьи Гольджи о луковице представлен в работе: Gordon M. Shepherd et al., The Olfactory Granule Cell: From Classical Enigma to Central Role in Olfactory Processing, Brain Research Reviews 55, no. 2 (2007): 373–382.

311

Mark D. Eyre, Miklos Antal, and Zoltan Nusser, Distinct Deep Short-Axon Cell Subtypes of the Main Olfactory Bulb Provide Novel Intrabulbar and Extrabulbar GABAergic Connections, Journal of Neuroscience 28, no. 33 (2008): 8217–8229.

312

Venkatesh N. Murthy, Olfactory Maps in the Brain, Annual Review of Neuroscience 34 (2011): 233–258.

313

Кул-Эйд (Kool-Aid) – популярный в США растворимый безалкогольный напиток с разными фруктовыми вкусами. – Прим. пер.

314

Thomas A. Cleland, Early Transformations in Odor Representation, Trends in Neuroscience 33, no. 3 (2010): 130–139.

315

Murthy, Olfactory Maps, 250.

316

Edward R. Soucy et al., Precision and Diversity in an Odor Map on the Olfactory Bulb, Nature Neuroscience 12, no. 2 (2009): 210.

317

Soucy et al., Precision and Diversity in an Odor Map.

318

Elissa A. Hallem and John R. Carlson, Coding of Odors by a Receptor Repertoire, Cell 125, no. 1 (2006): 143–160.

319

Rainer W. Friedrich and Mark Stopfer, Recent Dynamics in Olfactory Population Coding, Current Opinion in Neurobiology 11, no. 4 (2001): 468–474; Gilles Laurent, A Systems Perspective on Early Olfactory Coding, Science 286, no. 5440 (1999): 723–728.

320

Paolo Lorenzon et al., Circuit Formation and Function in the Olfactory Bulb of Mice with Reduced Spontaneous Afferent Activity, Journal of Neuroscience 35, no. 1 (2015): 146–160.

321

Frank R. Sharp, John S. Kauer, and Gordon M. Shepherd, Local Sites of Activity-Related Glucose Metabolism in Rat Olfactory Bulb during Odor Stimulation, Brain Research 98, no. 3 (1975): 596–600; W. B. Steward et al., Functional Organization of Rat Olfactory Bulb Analysed by the 2-Deoxyglucose Method, Journal of Comparative Neurology 185, no. 4 (1979): 715–734.

322

Peter Mombaerts et al., Visualizing an Olfactory Sensory Map, Cell 87, no. 4 (1996): 675–686.

323

Peter Mombaerts, Odorant Receptor Gene Choice in Olfactory Sensory Neurons: The One Receptor – One Neuron Hypothesis Revisited, Current Opinion in Neurobiology 14, no. 1 (2004): 31–36.

324

Kensaku Mori and Yoshihiro Yoshihara, Molecular Recognition and Olfactory Processing in the Mammalian Olfactory System, Progress in Neurobiology 45, no. 6 (1995): 585–619; Naoshige Uchida et al., Odor Maps in the Mammalian Olfactory Bulb: Domain Organization and Odorant Structural Features, Nature Neuroscience 3, no. 10 (2000): 1035; Kensaku Mori et al., Maps of Odorant Molecular Features in the Mammalian Olfactory Bulb, Physiological Reviews 86, no. 2 (2006): 409–433.

325

Fuqiang Xu, Charles A. Greer, and Gordon M. Shepherd, Odor Maps in the Olfactory Bulb, Journal of Comparative Neurology 422, no. 4 (2000): 489–495; OdorMapDB: Home – SenseLab, Olfactory Bulb Odor Map DataBase, Yale University, https://senselab.med.yale.edu/odormapdb/.

326

Leonardo Belluscio et al., Odorant Receptors Instruct Functional Circuitry in the Mouse Olfactory Bulb, Nature 419, no. 6904 (2002): 296.

327

Paul Feinstein et al., Axon Guidance of Mouse Olfactory Sensory Neurons by Odorant Receptors and the β2 Adrenergic Receptor, Cell 117, no. 6 (2004): 833–846.

328

Dong-Jing Zou, Alexaner Chesler, and Stuart Firestein, How the Olfactory Bulb Got Its Glomeruli: A Just So Story? Nature Reviews Neuroscience 10, no. 8 (2009): 611–618.

329

Диаметр клубочков млекопитающих колеблется от 30 до 200 мкм. – Прим. авт.

330

Bolek Zapiec and Peter Mombaerts, Multiplex Assessment of the Positions of Odorant Receptor-Specific Glomeruli in the Mouse Olfactory Bulb by Serial Two-Photon Tomography, Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 43 (2015): E5873–E5882.

331

Zapiec and Mombaerts, Positions of Odorant Receptor-Specific Glomeruli, E5873.

332

От перефирии к центру. – Прим. ред.

333

N. Buonviso et al., Short-Lasting Exposure to One Odour Decreases General Reactivity in the Olfactory Bulb of Adult Rats, European Journal of Neuroscience 10, no. 7 (1998): 2472–2475; N. Buonviso and M. Chaput, Olfactory Experience Decreases Responsiveness of the Olfactory Bulb in the Adult Rat, Neuroscience 95, no. 2 (2000): 325–332.

334

Rémi Gervais et al., What Do Electrophysiological Studies Tell Us about Processing at the Olfactory Bulb Level? Journal of Physiology 101, no. 1–3 (2007): 40–45.

335

Rachel A. Ankeny and Sabina Leonelli, What’s So Special about Model Organisms? Studies in History and Philosophy of Science Part A 42, no. 2 (2011): 313–323.

336

Alison Maresh et al., Principles of Glomerular Organization in the Human Olfactory Bulb – Implications for Odor Processing, PloS One 3, no. 7 (2008): e2640.

337

Thomas A. Cleland and Praveen Sethupathy, Non-topographical Contrast Enhancement in the Olfactory Bulb, BMC Neuroscience 7 (2006): 7.

338

Andy Clark, Whatever Next? Predictive Brains, Situated Agents, and the Future of Cognitive Science, Behavioral and Brain Sciences 36, no. 3 (2013): 181–204.

339

Erich Holst and Horst Mittelstaedt, Das Reafferenzprinzip, Natur-wissenschaften 37, no. 20 (1950): 464–476; Roger W. Sperry, Neural Basis of the Spontaneous Optokinetic Response Produced by Visual Inversion, Journal of Comparative and Physiological Psychology 43, no. 6 (1950): 482–489.

340

Экзафферентный сигнал – восходящий нервный сигнал, идущий от внешнего предмета. Реафферентный сигнал – его противоположность, восходящий сигнал, вызванный собственными действиями организма. – Прим. пер.

341

Ann-Sophie Barwich, Measuring the World: Towards a Process Model of Perception, in Everything Flows: Towards a Processual Philosophy of Biology, ed. D. Nicholson and J. Dupré (Oxford: Oxford University Press, 2018), 227–256.

342

Christine A. Skarda and Walter J. Freeman, How Brains Make Chaos in Order to Make Sense of the World, Behavioral and Brain Sciences 10, no. 2 (1987): 161–173; Walter J. Freeman, Simulation of Chaotic EEG Patterns with a Dynamic Model of the Olfactory System, Biological Cybernetics 56, no. 2–3 (1987): 139–150; Yong Yao and Walter J. Freeman, Model of Biological Pattern Recognition with Spatially Chaotic Dynamics, Neural Networks 3, no. 2 (1990): 153–170; Walter J. Freeman, Neural Networks and Chaos, Journal of Theoretical Biology 171, no. 1 (1994): 13–18; Walter J. Freeman, Characterization of State Transitions in Spatially Distributed, Chaotic, Nonlinear, Dynamical Systems in Cerebral Cortex, Integrative Physiological and Behavioral Science 29, no. 3 (1994): 294–306.

343

Anthony Chemero, Empirical and Metaphysical Anti-representationalism, in Understanding Representation in the Cognitive Sciences, ed. A. Riegler, M. Peschi, and A. von Stein (Boston: Springer, 1999), 41.

344

Leslie M. Kay, Larry R. Lancaster, and Walter J. Freeman, Reafference and Attractors in the Olfactory System during Odor Recognition, International Journal of Neural Systems 7, no. 4 (1996): 489–495.

345

Gilles Laurent, Olfactory Network Dynamics and the Coding of Multidimensional Signals, Nature Reviews Neuroscience 3, no. 11 (2002): 884.

346

«Энигма» (от нем. Änigma – загадка) – переносная шифровальная машина, использовавшаяся для шифрования и расшифровки секретных сообщений преимущественно в середине XX века. – Прим. ред.

347

Dan D. Stettler and Richard Axel, Representations of Odor in the Piriform Cortex, Neuron 63, no. 6 (2009): 854–864.

348

Dara L. Sosulski et al., Distinct Representations of Olfactory Information in Different Cortical Centres, Nature 472, no. 7342 (2011): 213.

349

M. Inês Vicente and Zachary F. Mainen, Convergence in the Piriform Cortex, Neuron 70, no. 1 (2011): 1–2.

350

Воспроизводящиеся на выходе после сжатия на промежуточных этапах. – Прим. ред.

351

Lewis B. Haberly, Parallel-Distributed Processing in Olfactory Cortex: New Insights from Morphological and Physiological Analysis of Neuronal Circuitry, Chemical Senses 26, no. 5 (2001): 551–576; Robert L. Rennaker et al., Spatial and Temporal Distribution of Odorant-Evoked Activity in the Piriform Cortex, Journal of Neuroscience 27, no. 7 (2007): 1534–1542; Donald A. Wilson and Regina M. Sullivan, Cortical Processing of Odor Objects, Neuron 72, no. 4 (2011): 506–519; Donald A. Wilson, Mikiko Kadohisa, and Max L. Fletcher, Cortical Contributions to Olfaction: Plasticity and Perception, Seminars in Cell & Developmental Biology 17, no. 4 (2006): 462–470; Merav Stern et al., A Transformation from Temporal to Ensemble Coding in a Model of Piriform Cortex, eLife 7 (2018): e34831; Kevin A. Bolding et al., Pattern Recovery by Recurrent Circuits in Piriform Cortex, bioRxiv 694331 (2019): 694331; Naoshige Uchida, Cindy Poo, and Rafi Haddad, Coding and Transformations in the Olfactory System, Annual Review of Neuroscience 37 (2014): 363–385; P. Litaudon et al., Piriform Cortex Functional Heterogeneity Revealed by Cellular Responses to Odours, European Journal of Neuroscience 17, no. 11 (2003): 2457–2461; Cindy Poo and Jeffry S. Isaacson, An Early Critical Period for Long-Term Plasticity and Structural Modification of Sensory Synapses in Olfactory Cortex, Journal of Neuroscience 27, no. 28 (2007): 7553–7558.

352

Vicente and Mainen, Convergence in the Piriform Cortex.

353

Chien-Fu F. Chen et al., Nonsensory Target-Dependent Organization of Piriform Cortex, Proceedings of the National Academy of Sciences 111, no. 47 (2014): 16931–16936.

354

Benjamin Roland et al., Odor Identity Coding by Distributed Ensembles of Neurons in the Mouse Olfactory Cortex, eLife 6 (2017): e26337.

355

John J. Hopfield, Pattern Recognition Computation Using Action Potential Timing for Stimulus Representation, Nature 376, no. 6535 (1995): 33; Brice Bathellier, Olivier Gschwend, and Alan Carleton, Temporal Coding in Olfaction, in The Neurobiology of Olfaction, ed. A. Menini (Boca Raton, FL: CRC Press, 2010), chapter 13.

356

Christopher D. Wilson et al., A Primacy Code for Odor Identity, Nature Communications 8, no. 1 (2017): 1477.

357

Rebecca Jordan, Mihaly Kollo, and Andreas T. Schaefer, Sniffing Fast: Paradoxical Effects on Odor Concentration Discrimination at the Levels of Olfactory Bulb Output and Behavior, eNeuro 5, no. 5 (2018), http://doi.org/10.1523/ENEURO.0148-18.2018.

358

Roman Shusterman et al., Sniff Invariant Odor Coding, eNeuro 5, no. 6 (2018), https://doi.org/10.1523/ENEURO.0149-18.2018.

359

Gilles Laurent, Michael Wehr, and Hananel Davidowitz, Temporal Representations of Odors in an Olfactory Network, Journal of Neuroscience 16, no. 12 (1996): 3837–3847; Gilles Laurent and Hananel Davidowitz, Encoding of Olfactory Information with Oscillating Neural Assemblies, Science 265, no. 5180 (1994): 1872–1875; Joshua P. Martin et al., The Neurobiology of Insect Olfaction: Sensory Processing in a Comparative Context, Progress in Neurobiology 95, no. 3 (2011): 427–447; Paul G. Distler and Jürgen Anthony Boeckh, An Improved Model of the Synaptic Organization of Insect Olfactory Glomeruli, Annals of the New York Academy of Sciences 855, no. 1 (1998): 508–510; Elissa A. Hallem, Anupama Dahanukar, and John R. Carlson, Insect Odor and Taste Receptors, Annual Review of Entomology 51 (2006): 113–135; Hugh M. Robertson, Coral G. Warr, and John R. Carlson, Molecular Evolution of the Insect Chemoreceptor Gene Superfamily in Drosophila melanogaster, Proceedings of the National Academy of Sciences 100, no. 2 (2003): 14537–14542; Nitin Gupta and Mark Stopfer, Insect Olfactory Coding and Memory at Multiple Timescales, Current Opinion in Neurobiology 21, no. 5 (2011): 768–773; Gilles Laurent et al., Odor Encoding as an Active, Dynamical Process: Experiments, Computation, and Theory, Annual Review of Neuroscience 24 (2001): 263–297.

360

John G. Hildebrand and Gordon M. Shepherd, Mechanisms of Olfactory Discrimination: Converging Evidence for Common Principles across Phyla, Annual Review of Neuroscience 20 (1997): 595–631; Nicholas J. Strausfeld and John G. Hildebrand, Olfactory Systems: Common Design, Uncommon Origins? Current Opinion in Neurobiology 9, no. 5 (1999): 634–639.

361

Sam Reiter and Mark Stopfer, Spike Timing and Neural Codes for Odors, chap. 11 in Spike Timing: Mechanisms and Function, ed. P. M. DiLorenzo and J. D. Victor (Boca Raton, FL: CRC Press); Maxim Bazhenov and Mark Stopfer, Forward and Back: Motifs of Inhibition in Olfactory Processing, Neuron 67, no. 3 (2010): 357–358.

362

Christina Zelano, Aprajita Mohanty, and Jay A. Gottfried, Olfactory Predictive Codes and Stimulus Templates in Piriform Cortex, Neuron 72, no. 1 (2011): 178–187. Глава 9

363

Rachel S. Herz and Julia von Clef, The Influence of Verbal Labeling on the Perception of Odors: Evidence for Olfactory Illusions? Perception 30, no. 3 (2001): 381–391.

364

George Armitage Miller, The Magical Number Seven, Plus or Minus Two: Some Limits on Our Capacity for Processing Information, Psychological Review 63, no. 2 (1956): 81–97.

365

Mark Sefton and Robert Simpson, Compounds Causing Cork Taint and the Factors Affecting Their Transfer from Natural Cork Closures to Wine – A Review, Australian Journal of Grape and Wine Research 11, no. 2 (2005): 226–240; John Prescott et al., Estimating a ‘Consumer Rejection Threshold’ for Cork Taint in White Wine, Food Quality and Preference 16, no. 4 (2005): 345–349.

366

Trygg Engen, Odor Sensation and Memory (New York: Praeger, 1991), 79.

367

William S. Cain and Bonnie Potts, Switch and Bait: Probing the Discriminative Basis of Odor Identification via Recognition Memory, Chemical Senses 21, no. 1 (1996): 35–44.

368

Selig Hecht, Simon Shlaer, and Maurice Henri Pirenne, Energy, Quanta, and Vision, Journal of General Physiology 25, no. 6 (1942): 819–840.

369

Denis A. Baylor, T. D. Lamb, and King-Wai Yau, Responses of Retinal Rods to Single Photons, Journal of Physiology 288 (1979): 613–634.

370

Недавно разгорелись споры о природе и масштабе выводов, следующих из данных WEIRD; по этому поводу см. Joseph Henrich, Steven J. Heine, and Ara Norenzayan, Most People Are Not WEIRD, Nature 466, no. 7302 (2010): 29. WEIRD – это сокращение от «western, educated, industrialized, rich, democratic»; иными словами, теории разума построены на данных для двух десятков белых студентов колледжей, что может отражать, а может и не отражать полную картину, из которой стоит делать общие выводы о человеческой природе и познании.

371

Jean-Pierre Royet et al., The Impact of Expertise in Olfaction, Frontiers in Psychology 4 (2013), https://doi.org/10.3389/fpsyg.2013.00928.

372

Johannes Frasnelli et al., Neuroanatomical Correlates of Olfactory Performance, Experimental Brain Research 201, no. 1 (2010): 1–11; J. Frasnelli et al., Brain Structure Is Changed in Congenital Anosmia, NeuroImage 83 (2013): 1074–1080; Janina Seubert et al., Orbitofrontal Cortex and Olfactory Bulb Volume Predict Distinct Aspects of Olfactory Performance in Healthy Subjects, Cerebral Cortex 23, no. 10 (2012): 2448–2456.

373

Syrina Al Aïn et al., Smell Training Improves Olfactory Function and Alters Brain Structure, NeuroImage 189 (2019): 45–54.

374

Ann-Sophie Barwich, Up the Nose of the Beholder? Aesthetic Perception in Olfaction as a Decision-Making Process, New Ideas in Psychology 47 (2017): 157–165; Barry C. Smith, Beyond Liking: The True Taste of a Wine? The World of Fine Wine 58 (2017): 138–147.

375

«Somm: Into the Bottle», режиссер Джейсон Вайс, сценарий Кристины Такер и Джейсона Вайса (Los Angeles: Forgotten Man Films, 2015).

376

Ian Cauble, «somm exam», клип из фильма «Somm: Into the Bottle», 2015, видео на YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=PKNmcCCE15E.

377

Тонкое чутье (нем.)

378

Avery N. Gilbert and Joseph A. DiVerdi, Consumer Perceptions of Strain Differences in Cannabis Aroma, PloS One 13, no. 2 (2018): e0192247; Annette Schmelzle, ‘The Beer Aroma Wheel.’ Updating Beer Flavor Terminology according to Sensory Standards, Brewing Science 62, no. 1–2 (2009): 26–32; I. H. Suffet and P. Rosenfeld, The Anatomy of Odour Wheels for Odours of Drinking Water, Wastewater, Compost and the Urban Environment, Water Science and Technology 55, no. 5 (2007): 335–344; N. P. Jolly and S. Hattingh, A Brandy Aroma Wheel for South African Brandy, South African Journal of Enology and Viticulture 22, no. 1 (2001): 16–21.

379

Jancis Robinson, ed., The Oxford Companion to Wine, 3rd ed. (Oxford: Oxford University Press, 2006), 35–36.

380

Michael Edwards, Fragrance Wheel, Fragrances of the World, https://www.fragrancesoftheworld.com/

381

U. Harder, Der H&R Duftkreis, Haarman&Reimer Contact 23 (1979): 18–27; Laura Donna, Fragrance Perception: Is Everything Relative? Research Presents a Leap Towards a Consensus in Fragrance Mapping, Perfumer&Flavorist 34 (2009): 26–35.

382

David H. Pybus, The Structure of an International Fragrance Company, chap. 5 in The Chemistry of Fragrances: From Perfumer to Consumer, ed. C. Sell (Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2006).

383

Ferdinand de Saussure, Course in General Linguistics, ed. C. Bally et al. (1915; New York: McGraw-Hill, 1966).

384

Danièle Dubois and Catherine Rouby, Names and Categories for Odors: The Veridical Label, in Olfaction, Taste, and Cognition, ed. C. Rouby et al. (Cambridge: Cambridge University Press, 2002), 47–66.

385

Jean-Claude Ellena, The Diary of a Nose: A Year in the Life of a Parfumeur (London: Particular Books, 2012).

386

M. N. Jones et al., Models of Semantic Memory, in Oxford Handbook of Mathematical and Computational Psychology, ed. J. R. Busemeyer (Oxford: Oxford University Press, 2015), 232–254.

387

Semantic space is a specialized formatting of perceptual space, e.g., as part of a culture or expert group; distinction also in Ingvar Johansson, Perceptual Spaces Are Sense-Modality-Neutral, Open Philosophy 1, no. 1 (2018): 14–39.

388

Слепота к изменениям – неспособность заметить перемены при определенных обстоятельствах. – Прим. пер.

389

Сравнение кодирования в системах обоняния и зрения: Ann-Sophie Barwich, A Critique of Olfactory Objects, Frontiers in Psychology, 12 июня, 2019, http://doi.org/10.3389/fpsyg.2019.01337.

390

Egon P. Köster, Per Møller, and Jos Mojet, A ‘Misfit’ Theory of Spontaneous Conscious Odor Perception (MITSCOP): Reflections on the Role and Function of Odor Memory in Everyday Life, Frontiers in Psychology 5 (2014): 64.

391

James J. Gibson, The Senses Considered as Perceptual Systems (Boston: Houghton Mifflin, 1966).

392

David Marr, Vision: A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information (Cambridge, MA: MIT Press, 1982), 29.

393

Gilles Laurent et al., Cortical Evolution: Introduction to the Reptilian Cortex, in Micro-, Meso– and Macro-Dynamics of the Brain, ed. G. Buzsáki and Y. Christen (New York: Springer, 2016), 23–33; Julien Fournier et al., Spatial Information in a Non-retinotopic Visual Cortex, Neuron 97, no. 1 (2018): 164–180; R. K. Naumann et al., The Reptilian Brain, Current Biology 25, no. 8 (2015): R317–R321.

394

Отвечает за восприятие лиц. – Прим. науч. ред.

395

Margaret S. Livingstone et al., Development of the Macaque Face-Patch System, Nature Communications 8 (2017): 14897.

396

Mark A. Changizi et al., Perceiving the Present and a Systematization of Illusions, Cognitive Science 32, no. 3 (2008): 459–503; Mark A. Changizi and David M. Widders, Latency Correction Explains the Classical Geometrical Illusions, Perception 31, no. 10 (2002): 1241–1262.

397

Ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве. – Прим. ред.

398

Чувствительность внутренних органов. – Прим. ред.

399

Движения, направленные на перемещение собственного тела в пространстве (плавание, ходьба, бег, прыжки, ползание, полет и т. п.). – Прим. ред.

400

Michael Tye, Ten Problems of Consciousness: A Representational Theory of the Phenomenal Mind (Cambridge, MA: MIT Press, 1997); David Pitt, Mental Representation, in Stanford Encyclopedia of Philosophy, ed. E. Zalta, https://plato.stanford.edu/entries/mental-representation/

Content

Энн-Софи Барвич
Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Предисловие

Введение. Погружение

Современная модель для сенсорной нейробиологии

Философ за лабораторным столом

Из воздуха в мозг и в разум

Глава 1. История носа

Древние времена

Средневековье

Новое время

Химический поворот

Физиология на закате XIX века

Психология начала XX века

Ольфактометр

Первая половина XX века

Середина XX века и далее

Глава 2. Современные исследования обоняния: на перепутье

Нобелевский нос

Парадигма зрения и функциональная локализация

Схема мозговой топографии

От обонятельного нерва к обонятельному мозгу

Quo Vadis, обоняние?

Глава 3. Носовой интеллект: запахи и познание

Два вида обоняния

Осознанное восприятие запаха

Запахи как объекты познания

Цель не есть причина

Запах вещей

Запахи как элементы разума

Глава 4. Как поведение зависит от химии: аффективная природа запаха

Обонятельная память: о чем не упомянул Пруст

Запахи как подвижные мишени опыта

Познавательная функция обонятельных сигналов

Любовь, пот и слезы

Коротко о феромонах

Глава 5. Через воздух: от носа к мозгу

Пространство стимулов

Энактивизм и эмбодимент

Нейронное пространство

Глава 6. Молекулы для восприятия

Недостающее звено

Очевидный путь

Черный ящик биологии

Слепой гомункулус

Где молекулярная наука встречается с парфюмерией

Топология нейронного отображения

Глава 7. Анализируем луковицу

Один-два синапса – и мы в коре

Обманчивая простота

Расщепляем луковицу

Отпечаток каждого запаха

Стереотипное отражение

Карта как артефакт развития

Отображение стимулов без карты

Глава 8. Измеряем запахи не по карте

Открытая хаотическая система

Измерение мира

«Энигма»

Карта исходящих сигналов

Очередность кодирования

Популяционное кодирование

Интерпретация азбуки Морзе

Общие принципы, индивидуализированное исполнение

Психонейронная теория

Глава 9. Восприятие как навык

Окраска субъективности

Когнитивная карта запаха

Тайна носа эксперта

Компетентность в восприятии как усиление наблюдательности

Терминология как инструмент познания

Формирование перцептивных навыков

Компетентность восприятия определяется сферой деятельности

Когнитивная структура обонятельного опыта

Маркеры опыта в изменяющемся пространстве

Глава 10. Вывод: нос как окно в мозг и разум

Где нос встречается с глазом

Теории восприятия не равняются теориям зрения

Что особенного в обонянии?

Личные выводы

Приложение. Список интервью

Комментарии. Благодарности

Примечания