Как наш мозг распознает запахи за доли секунды — выяснили нейробиологи

Как мозг понимает, что мы чувствуем — аромат кофе, цитрус или дым — почти мгновенно? Новое исследование нейробиологов показывает, что ключ к этому процессу скрыт не в коре головного мозга, как считалось раньше, а в обонятельной луковице — структуре прямо за носом. Работа, опубликованная в Nature Neuroscience, описывает механизм сверхбыстрой обработки запахов у мышей, который, вероятно, близок и человеческому.

Ученые обнаружили: распознавание запаха происходит за первые миллисекунды вдоха, еще до того, как сигнал успевает дойти до коры головного мозга.

Где рождается «узнавание» запаха

Долгое время считалось, что окончательная обработка запахов происходит в коре головного мозга — зоне, отвечающей за восприятие и мышление. Однако новые данные смещают акцент.

Сигнал начинается в носу, где миллионы обонятельных нейронов улавливают молекулы запаха. Далее информация поступает в обонятельную луковицу, где расположены клубочки — микроскопические узлы передачи сигналов. От них импульсы идут к митральным и пучковым клеткам, которые формируют дальнейший «код запаха».

Исследователи выяснили, что решающими оказываются первые 50 миллисекунд дыхательного цикла. Именно этот начальный импульс сигналов определяет, какой запах будет распознан.

«Временная фильтрация» и выбор первого сигнала

Ученые описывают механизм как временную фильтрацию. Суть в том, что мозг «фиксирует» самый ранний набор активированных нейронов и использует его как основной ориентир.

Один и тот же запах, независимо от концентрации, вызывает одинаковый стартовый паттерн активности. Но затем происходит важный эффект: последующие сигналы подавляются.

Как отметил соавтор работы Дмитрий Ринберг:

«Наши результаты ставят под сомнение фундаментальное понимание обработки сенсорной информации у млекопитающих, согласно которому эти вычисления в мозге в основном происходят в коре головного мозга»

«Работа также впервые демонстрирует, что мыши, а возможно, и люди, используют временную фильтрацию для различения запахов»

Иными словами, мозг не собирает полную картину, а принимает первое надёжное решение и блокирует шум от последующих сигналов.

Как был устроен эксперимент

Чтобы увидеть процесс в действии, исследователи использовали прецизионную оптогенетику — метод, позволяющий управлять активностью нейронов с помощью света. Это дало возможность включать и выключать отдельные группы клеток и наблюдать, как меняется восприятие запаха.

Дополнительно был применен специально разработанный микроскоп, который позволил отслеживать активность отдельных нейронов в самых поверхностных слоях обонятельной луковицы.

По словам Шая Шохама из NYU Langone Health:

«Это исследование имеет ключевое значение для понимания того, как работает наше обоняние, а также как связаны между собой наши сложные нейронные сети и, возможно, как функционируют другие сложные биологические и вычислительные системы»

Почему это меняет представления о мозге

Результаты ставят под вопрос классическую модель, где кора считается главным центром анализа сенсорной информации. Теперь становится ясно, что часть «решений» принимается значительно раньше — на уровне первичных сенсорных структур.

Интересно, что похожие принципы уже обнаружены в зрительной системе: сетчатка глаза тоже частично «обрабатывает» изображение до передачи в мозг. Авторы предполагают, что такой механизм может быть универсальным — он ускоряет реакцию организма, позволяя мгновенно различать важные стимулы.