Обоняние с картинками

Органы чувств посылают в мозг импульсы, связанные с цветом, вкусом, звуком и т. д., но воспринимаем мы не просто вкус или звук, а некий образ. Про воронье карканье мы знаем, что оно воронье, и для сладкого вкуса у нас в сознании есть разные дополнительные гастрономические представления. Конечно, сейчас уже известно, какой путь проделывает импульс от рецепторов до участков коры, которые его анализируют – на этом пути есть «перевалочные пункты» в продолговатом мозге, есть зрительные бугры, или таламус, и в самой коре полушарий разные участки выполняют в отношении сенсорных импульсы разные процедуры. Тем не менее, всё равно остаётся вопрос, как именно набор импульсов превращается в восприятие. Здесь можно ставить опыты с животными, но об изменениях в восприятии их не расспросишь, нужны изощрённые поведенческие тесты, которые позволят хотя бы косвенно понять, что животное воспринимает в данный момент. С людьми же подобные исследования были невозможны – до последнего времени.

Сотрудники Университетской клиники Бонна поставили эксперимент с больными эпилепсией. Про такие опыты мы много раз рассказывали: при некоторых формах эпилепсии больному в мозг на время вводят электроды, которые считывают активность нейронов и тем самым помогают найти очаг болезни. Попутно пациент может участвовать в нейробиологических и психологических исследованиях – ведь у него можно вживую увидеть, как работает человеческий мозг. У метода есть уже много модификаций, и сейчас можно, например, фиксировать не общую активность группы нейронов, а активность отдельных клеток поштучно. В эксперименте работу нескольких сотен отдельных клеток записывали из пяти зон мозга: из пириформной коры, из миндалевидного тела (или амигдалы), из энторинальной коры, из гиппокампа и из так называемого парагиппокампального кортекса.

Амигдалу часто называют центром эмоций, хотя одной только обработкой эмоций её функции не ограничиваются. Энторинальная кора и гиппокамп – одни из главных центров памяти; кроме того, они важны для ориентации в пространстве и времени. Парагиппокампальный кортекс помогает узнавать окружающую местность, помогает соотносить отдельные предметы с ландшафтом, в котором они находятся. А пириформную кору ещё называют обонятельной. Как можно догадаться, исследователей интересовало, как происходит восприятие обонятельных сигналов (у которых, кстати, есть свой особый путь от рецепторов до мозга – в частности, обонятельные сигналы идут в обход таламуса, который для остальных сенсорных импульсов работает чем-то вроде информационного хаба-распределителя). Добровольцам с электродами в голове давали нюхать разные запахи – чеснока, розы, кофе и пр. – одновременно записывая нейронную активность в пяти разных областях мозга.

Естественно, на запахи реагировала обонятельная кора. Подобные опыты много ставили с крысами, и в целом новые данные говорят о том, что человеческая обонятельная кора отвечает на запахи схожим образом. Рисунок импульсов, соответствующий отдельному запаху, можно распознать с помощью обученного машинного алгоритма. Но обонятельная кора работает с запахами как они есть, её задача – отделить их друг от друга. В эксперименте на запахи реагировали и другие зоны мозга, про которые нельзя сказать, что они специализируются на обонянии. И с ними алгоритму, даже хорошо обученному, было уже труднее. По активности нейронов обонятельной коры он мог точно отличить, что в одном случае кора работает с одним запахом, а в другом случае – что с другим; но когда алгоритму предлагали для анализа активность амигдалы, или гиппокампа, или энторинальной коры, то тут он начинал отчасти путаться. (Парагиппокампальный кортекс никакой особой обонятельной активности не демонстрировал.)

Когда участников эксперимента просили оценить, насколько им приятен тот или иной запах, на первый план выходила амигдала – что вполне понятно, поскольку она даёт нейронную поддержку эмоциям. Другие зоны в этой задаче себя никак не проявляли. Когда нужно было распознать запах, специфическая активность появлялась в гиппокампе, что, скорее всего, связано с его функциями как центра памяти. (Другие зоны при задаче вспомнить-распознать опять же никак специально не активничали.) В целом всё происходило вполне ожидаемо: обонятельная кора обрабатывает «просто запахи», как некий феномен окружающей реальности, амигдала включается, когда речь заходит об эмоциональном отношении к запаху, а гиппокамп – когда нечто, достигшее носа, нужно сопоставить с запахами в памяти, а заодно вспомнить название.

Но тут добровольцам после того, как они ощутили какой-то запах, стали показывать соответствующие картинки, то есть после чесночного запаха шло изображение чеснока, после розового – изображение розы и т. д. Картинки шли именно после запаха, не одновременно с ним. На картинки отзывались все зоны, в том числе и обонятельная кора, и парагиппокампальный кортекс, который на запахи никак не реагировал. «Картиночную» активность отдали на анализ алгоритму, который учился распознавать запаховую активность – и этот «запаховый» алгоритм довольно точно определил по «картиночной» нейронной активности, какую именно картинку внутри себя обрабатывает та или иная область. Причём в обонятельной коре картинки были более различимы, чем в других зонах.

Затем алгоритм распознавания нейронной активности стали тренировать уже на картинках: человеку показывали картинки (те же самые, то есть ассоциирующиеся с разными запахами), а машина училась классифицировать нейронные импульсы в соответствии с тем, что находится перед глазами. Импульсы считывали всё из тех же областей мозга – обонятельной коры, амигдалы и т. д. Потом снова перешли к запахам, но активность нейронов теперь анализировали не «запаховым» машинным классификатором, а тем, который учился на «картиночных» импульсах. Оказалось, что «картиночный» классификатор способен различать разные обонятельные активности в обонятельной коре и в амигдале.

Исследователи делают вывод, что обонятельная кора и амигдала обрабатывают информацию в мультимодальном режиме, объединяя сведения пусть разнородные, но в чём-то общие – как имеют нечто общее между собой запах чеснока и картинка с чесноком. В статье Nature говорится, что некоторые нейроны могут быть особенно склонны совмещать разные импульсы в едином концепте. Например, в обонятельной коре удалось найти нейрон, который очень сильно и очень избирательно реагировал на запах лакрицы и аниса, и так же избирательно, хотя и слабее, он реагировал на картинки с лакрицей – и даже на слово «лакрица».

То есть обонятельная кора, про которую долго думали, что она просто отделяет запахи друг от друга, занимается также интеграцией запаховой информацией со зрительной и, вероятно, языковой (коль скоро есть нейрон, реагирующий на написанное запаховое слово). То есть цельное восприятие, объединяющее разные аспекты явления, начинает формироваться на ранних этапах передачи сенсорной информации, по крайней мере, если говорить об обонятельном пути. И дальнейшие исследования тут вполне могут ещё усложнить картину, потому что и в гиппокампе, и в амигдале, и в других зонах есть свои подотделы, которые выполняют разные задачи в обработке информации. Надо думать, что с остальными четырьмя чувствами дела обстоят ничуть не проще.