Миші розпізнають запахи за 50 мілісекунд: нове відкриття перевертає науку про нюх

Миші здатні розпізнати певний запах вже в межах перших 50 мілісекунд після вдиху – і це відбувається в нюховій цибулині мозку, а не в корі головного мозку. До цього висновку дійшла команда з NYU Langone Health в дослідженні, опублікованому в журналі "Nature Neuroscience". Результати ставлять під сумнів усталене розуміння того, як ссавці обробляють сенсорну інформацію і показують, що нюховий центр в мозку виконує набагато складніші "обчислення", ніж вважалося досі.

Як працює часове фільтрування

Команда, очолювана Мюрселем Карадасом (Mursel Karadas), PhD, зосередилася на обробці сигналів, які генерують мільйони нюхових сенсорних нейронів в носі мишей. Ці нейрони з'єднуються з групами нервових закінчень – клубочками (гломерули) – в нюховій цибулині, а звідти – з мітральними та пучковими клітинами (МПК), які передають інформацію далі.

Дослідники встановили, що саме сигнали від гломерул до МПК, що виникають в перші 50 мілісекунд дихального циклу, визначають який запах "бачить" мозок миші. В процесі, який вчені називають "часовим фільтруванням", найраніші активовані нервові сигнали одночасно ідентифікують запах і пригнічують пізніші імпульси – включно з фоновим "шумом" від інших запахів.

При одному й тому ж ароматі активується одна й та сама стартова конфігурація сигналів, незалежно від концентрації пахучої речовини. Це дозволяє мишам розпізнавати запах як при слабкій, так і при сильній інтенсивності, не плутаючись від зміни в силі стимулу.

"Наші результати ставлять під питання фундаментальне розуміння обробки сенсорної інформації у ссавців – а саме, що ці мозкові обчислення здійснюються переважно в корі головного мозку", каже один з провідних авторів, Дмитро Рінберг, професор нейронауки в Медичній школі "Гроссман" Нью-Йоркського університету. "Робота також вперше показує, як миші, а, ймовірно, і люди, використовують часове фільтрування, щоб розрізняти запахи."

Ширший контекст і майбутні застосування

Дослідження стало можливим завдяки точній оптогенетиці – методу, при якому світлові імпульси використовуються для активації або пригнічення конкретних нейронів – і новому типу мікроскопа для картування нейронних ланцюгів, розробленому Карадасом. Прилад дозволяє команді стимулювати та відстежувати нервові сигнали у зовнішніх шарах нюхової цибулини з високою точністю.

Спів-керівник дослідження, доцент Шай Шохам, директор Інституту "Tech4Health" при NYU Langone Health, зазначає, що отримані результати ставлять принципові питання щодо ролі кори головного мозку в обробці сенсорних сигналів. Він нагадує, що і при зорі останні відкриття показують подібну картину: сітківка в оці бере участь в розпізнаванні об'єктів ще до того, як сигнали досягнуть кори.

За словами Шохама, концепція часового фільтрування може знайти місце і в штучному інтелекті, прискорюючи обробку великих обсягів сенсорної інформації. Замість складних обчислень на пізнішому етапі, системи можуть "вчитися" покладатися на найраніші та найнадійніші сигнали.

На наступних етапах команда планує дослідити, як часове фільтрування допомагає розрізняти близькі за характером запахи – наприклад, лимон і апельсин. Подібні результати могли б з'ясувати не лише як працює нюх у ссавців, але й як мозок в цілому перетворює швидкі, галасливі сигнали в чіткі і стабільні відчуття.