Для многих животных обоняние — способность обнаруживать и интерпретировать химические вещества в окружающей среде — имеет основополагающее значение для выживания. От насекомых до млекопитающих обоняние играет центральную роль в целом ряде форм поведения, включая поиск пищи, среду обитания и местонахождение добычи, избегание хищников и социальное общение.
Хотя правильное реагирование на запахи требует способности отличать вредные от полезных, вопрос о том, как это достигается в мозге, остается открытым.Когда чувствуется запах, он активирует популяцию мелких нейронных структур, называемых клубочками, в первом обонятельном центре мозга. Хотя общепризнано, что информация об запахе закодирована в виде паттернов клубочковой активности в пространстве и времени, само количество клубочков — около 1800 у мышей и 5500 у людей — является серьезным препятствием для исследований обоняния.Чтобы преодолеть это препятствие, Хокто Казама и его команда воспользовались преимуществами более простой обонятельной системы плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая по функциям и организации схожа с таковой у млекопитающих, но содержит всего около 50 клубочков.
Казама объясняет: «Из-за ограниченного количества клубочков мы смогли использовать технологию двухфотонной кальциевой визуализации для систематической регистрации вызываемой запахом активности почти всех клубочков мух в ответ на большое количество одорантов».За поведением мухи наблюдали на искусно созданном летном симуляторе. В этой системе виртуальной реальности голова мухи зафиксирована и окружена обонятельным и визуальным ландшафтом, который вращается в реальном времени в ответ на движения крыльев. Мухи демонстрировали непрерывную реакцию, варьирующуюся от сильного влечения до сильного отвращения — они буквально летели в запах или от него — и их суждения принимались очень быстро, иногда всего за 200 миллисекунд.
Анализируя эти поведенческие и физиологические данные, исследователи сформулировали математическую модель, которая объясняет, как можно рассчитать притяжение и отталкивание к пахучим веществам по активности обонятельных клубочков. Их модель предполагает, что каждый клубочек способствует влечению или отвращению с определенным весом. Суммирование трансформированной и взвешенной активности всех клубочков не только соответствовало реальным поведенческим реакциям на запахи, использованные для создания модели, но и точно предсказывало ответы на новые пахучие вещества. Казама отмечает, что вопреки преобладающей гипотезе в этой области, результаты предполагают, что это вычисление не основывается на небольшом подмножестве клубочков, но, вероятно, требует большинства, если не всех, из них.
Модель также предсказывала, что относительное предпочтение запахов будет варьироваться и даже может меняться в зависимости от природы других одорантов, присутствующих в окружающей среде. Команда провела серию экспериментов, в которых одни и те же запахи присутствовали в разных условиях, и успешно проверила это предположение. Казама добавляет: «Это не только демонстрирует, что даже мухи обладают способностью адаптироваться к их обонятельной среде, но и демонстрирует полезность нашего подхода, сочетающего физиологические измерения с математическим моделированием поведения и нейронной активности».
Поскольку основная функция и проводка обонятельной системы хорошо сохраняются от мух к человеку, ожидается, что это исследование обеспечит более глубокое понимание принципов и механизмов обработки обоняния в человеческом мозге.
