Загадочная система обоняния: как она работает и при чем здесь банан
Нейробиолог Питер Момбертс возглавляет исследовательский отдел нейрогенетики Общества Макса Планка во Франкфурте. Он человек с серьезными предпочтениями: любит бельгийское пиво (отчасти из патриотических соображений), классическую музыку и наблюдать за Землей сверху, управляя небольшими самолетами с лицензией пилота-любителя. Ему нравится зимой носить одежду из альпака. Но он заявил, что у него нет любимого запаха, хотя он изучает их уже более 30 лет.
Исследования Момбертса были сосредоточены на том, как мозг обрабатывает запахи, и на впечатляющей группе генов, кодирующих обонятельные рецепторы у млекопитающих. У людей около 400 таких генов. Это означает, что 2% из примерно 20 тысяч генов помогают чувствовать запахи.
Как работает обоняние
Наземные млекопитающие, такие как человек, воспринимают запахи, которые являются летучими и поступают по воздуху. Многие химические вещества, составляющие запах, диффундируют в слизистом слое внутри носа и взаимодействуют с рецепторами обонятельных веществ на обонятельных сенсорных нейронах. Каждый одорант взаимодействует с несколькими рецепторами и, наоборот, каждый рецептор обонятельного вещества взаимодействует с несколькими одорантами. Эти нейроны генерируют электрические сигналы, которые передаются в обонятельную луковицу мозга, где они обрабатываются и отправляются в обонятельную кору.
Однако, по словам Момбертса, как именно человек распознает банан как банан, до сих пор неизвестно. Это один из больших нерешенных вопросов. «Есть много химических веществ, которые вместе создают запах банана. Точная смесь химических веществ и относительные пропорции варьируются от одного банана к другому — но мы все равно распознаем их все как бананы. Можно имитировать запах с помощью молекул, которых даже нет в банане. Мы знаем компоненты обонятельной системы (обонятельные рецепторы, обонятельные сенсорные нейроны, области нервной системы), которые позволяют нам это делать. Но как именно это работает, мы пока не понимаем», — рассказал нейробиолог онлайн-изданию Knowable Magazine.
Изучение обонятельной системы
Первоначальное открытие генов обонятельных рецепторов американскими биологами Линдой Бак и Ричардом Акселем было сделано на крысах. Вскоре они перешли на мышей из-за возможности генетической манипуляции. Почти все, что известно об обонянии с точки зрения молекулярной биологии, гистологии, физиологии и анатомии, основано на исследованиях на мышах (генетически модифицированных). Но Момбертс считает, что обонятельные системы грызунов и людей могут сильно различаться, поэтому возникают вопросы о том, как много можно узнать о человеческом обонянии, делая выводы из имеющихся данных.
Виды существенно различаются по количеству генов обонятельных рецепторов. Например, у африканских слонов их больше всего — около двух тысяч (почти в два раза больше, чем у мышей и собак, и в пять раз больше, чем у людей). Внушительный набор генов обонятельных рецепторов является одним из удивительных открытий, сделанных в прорывной статье Бак и Акселя в 1991 году. Но нет простой связи между количеством генов, кодирующих рецепторы запахов, и работой обонятельной системы вида. Поскольку гены обонятельных рецепторов настолько малы, виды, скорее всего, способны расширять или сокращать свой репертуар относительно быстро в ходе эволюции в ответ на меняющиеся потребности.
На сегодняшний день нет убедительных доказательств того, что существует генетическая основа для «хорошего» обоняния, но, возможно, она есть. Этот вопрос трудно изучить, имея всего 400 генов обонятельных рецепторов. Есть люди, которые очень хороши в обонянии. В парфюмерной промышленности их называют по-французски nez — нос. Они тренируются каждый день, и нет никаких доказательств того, что у них это обусловлено генетически.
Небольшой процент людей рождается с врожденной аносмией, без функционального обоняния. В некоторых случаях генетической причиной является синдром Кальмана, но чаще всего ученые не могут сказать, из-за чего появляется аносмия.
Гены обонятельных рецепторов активны не только в носу
Момберт работал над рецептором Olfr78, который экспрессируется в нескольких тканях тела, помимо носа, например, в простате, меланоцитах и каротидном тельце, которое помогает регулировать дыхание. Кроме того, стало известно, что Olfr78 требуется для созревания клеток в каротидном тельце, определяющих низкий уровень кислорода в крови. Как именно данный рецептор это делает, пока непонятно. «На данный момент мне неизвестно ни об одном медицинском терапевтическом применении, возможно, из-за внутренней сложности обоняния. В какой-то момент найдутся умные ученые или инновационная компания, которые придумают применение. Сейчас это фундаментальные исследования, удовлетворение любопытства, изучение генов, рецепторов, эволюции без прямого знания того, вылечим ли мы ту или иную болезнь», — сообщил Момбертс.
Обоняние и коронавирус
Нейробиолог также изучал потерю обоняния, вызванную SARS-CoV-2. Особое беспокойство у него вызвала возможность проникновения вируса в мозг. Обонятельные луковицы расположены всего в нескольких миллиметрах от обонятельной слизистой оболочки носа и разделены тонкой частью перфорированной кости черепа с выступами, или аксонами, обонятельных сенсорных нейронов, проходящими через нее. Таким образом, вирус мог бы использовать обонятельный путь, чтобы попасть в полость черепа, и способствовать возникновению длительного ковида, включая нейроковид.
В начале пандемии были опубликованы статьи, в которых утверждалось, что SARS-CoV-2 способен инфицировать обонятельные сенсорные нейроны у людей, но не все так просто. С 2020 по 2022 год Момбертс совместно с коллегами провел большое исследование, в котором изучал образцы тканей 115 пациентов, умерших от ковида вскоре после постановки диагноза. Доказательства заражения обонятельных сенсорных нейронов, луковицы и мозга не обнаружили. Однако, по словам нейробиолога, отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия.
Но почему инфицированные люди теряют обоняние? Поддерживающие или вспомогательные клетки окружают обонятельные сенсорные нейроны в обонятельном эпителии и поддерживают их способами, которые до сих пор плохо изучены. Когда поддерживающие клетки инфицированы, обонятельные сенсорные нейроны страдают: они некоторое время не функционируют нормально. Но до сих пор неизвестно, как именно совершается переход от заражения поддерживающих клеток к потере обоняния.
«Меня завораживает, если можно так выразиться, то, что потеря обоняния у пациентов с COVID-19 может быть очень резкой. Обычно они испытывают ее утром, иногда в течение нескольких часов. А затем обоняние восстанавливается в течение нескольких недель (в большинстве случаев). Такое резкое появление симптомов заставляет меня думать, что мы неправильно смотрим на механизм. Может быть, не так важно, что происходит в обонятельной слизистой оболочке, но, возможно, что-то происходит в обонятельной луковице или в другом месте мозга (возможно, сосудистая проблема), что вызывает резкий дефект обоняния», — пояснил Момбертс.
По мнению нейробиолога, данную проблему необходимо продолжать изучать, так как пандемия продолжается. ВОЗ объявила о завершении чрезвычайной ситуации, но многие люди все еще заражаются и теряют обоняние. Все настолько к этому привыкли, что даже СМИ не публикуют данные о количестве инфицированных. По данным Момбертса, примерно один из 20 человек теряет способность распознавать запахи. Если через восемь недель после заражения обоняние не вернулось, то данная дисфункция может сохранятся долгое время, возможно, всю жизнь. На сегодняшний день десятки миллионов людей по всему миру страдают от этого недуга. Это не является смертельным и не влияет на мозг напрямую, но нарушенное или искаженное обоняние способно радикально сказаться на качестве жизни.
Дальнейшие исследования
Науке до сих пор неизвестно множество основных аспектов обоняния. Его изучение отстает от исследований других чувств. После открытия Бак и Акселя в 1991 году в этой области работает множество лабораторий. Для Питера Момбертса, имеющего 30-летний опыт в исследовании обоняния, одним из актуальных остается вопрос о банане: почему он пахнет как банан? Обычно плод выделяет сотни соединений, но человеческий мозг говорит: «Хорошо, он пахнет бананом».
Еще один волнующий вопрос — как активируются гены обонятельных рецепторов? Зрелый обонятельный сенсорный нейрон использует только один из этих генов. Как же тогда нейрон выбирает один из 1141 генов у мыши для активации? Однозначного ответа все еще нет.
Кроме того, для нейробиолога остается загадкой аксональная связь. В молодом возрасте Момбертс показал, что у мышей все обонятельные сенсорные нейроны, которые экспрессируют определенный ген рецептора запаха, посылают свои аксоны в одну или несколько специфических областей (клубочков) обонятельной луковицы. В луковице мыши насчитывается несколько тысяч клубочков. Ученым еще предстоит выяснить, как этим аксонам удается найти общую цель.
По материалам статьи «What’s that smell — and how’d you know?» Knowable Magazine