Как мозг связывает запахи с местами и переносит нас во времени и пространстве

Запах способен переносить нас во времени и пространстве. Это может быть сладкий аромат жасмина или запах свежей травы. Почувствовав знакомый запах, вы можете внезапно возвратиться в дом своего детства или под палящий солнцем далекий берег моря. Эта связь между запахами и местами, по-видимому, является глубоко укоренившимся аспектом человеческого сознания. Но как они связаны в мозгу? Исследование, опубликованное в журнале Nature, дает возможное объяснение.

Нейронная связь между запахом и пространством

«Молекулы запаха по своей сути не несут пространственную информацию. Однако животные в дикой природе используют запахи для пространственной навигации и памяти, что позволяет им находить ценные ресурсы, такие как еда», — сказала Синди Пу, первый автор исследования. «Мы хотели понять нейронную основу этого поведения, и поэтому мы решили изучить, как мозг сочетает обонятельную и пространственную информацию».

Исследователи сосредоточились на первичной обонятельной коре. «Обонятельная система уникальна среди органов чувств», — говорят ученые. «Только обоняние имеет прямые реципрокные связи с системой гиппокампа, которая участвует в памяти и навигации».

Нейроны гиппокампа известны тем, что функционируют как «клетки места». Это потому, что каждая клетка становится активной в определенном месте в среде. Вместе эти нейроны кодируют всю область, эффективно создавая нейронную карту пространства.

Клетки места гиппокампа, открытие которых у крыс привело к получению Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2014 году, настолько надежны, что ученые могут определить, где находится животное, просто наблюдая за их активностью.

«Мы знаем, что система гиппокампа посылает сигналы в первичную обонятельную кору», — сказал Синди Пу. «Итак, мы подозревали, что эта область мозга может делать больше, чем просто распознавать различные запахи».

Тестирование обонятельных нейронов

Чтобы проверить эту идею, исследователи разработали индивидуальную головоломку для крыс, у которых хорошо развито обоняние. Крысы улавливали запахи на четырех концах лабиринта. Затем, в зависимости от запаха, они должны были выяснить, где спрятана награда. «В этом задании крысы должны были запомнить точные ассоциации запахов и мест», — объяснила Синди Пу.

Пока животные решали загадку, исследователи наблюдали за активностью нейронов в части первичной обонятельной коры, называемой задней грушевидной корой.

«Нейроны общаются друг с другом, испуская электрические импульсы. Записав электрические сигналы, излучаемые сотнями отдельных нейронов в этой области мозга, мы смогли расшифровать, чем занимаются конкретные нейроны. Например, стали ли они активными, когда животное почувствовало определенный запах, или когда оно было в определенном месте лабиринта» — говорят исследователи.

«Наши результаты превзошли наши ожидания. Мы предсказывали, что некоторые нейроны в определенной степени могут заботиться о местонахождении. Однако, внимательно изучая активность нейронов обонятельной коры, пока животное перемещалось по лабиринту, мы обнаружили, что эти нейроны изучили всю карту окружающей среды».

Обонятельные нейроны кодируют пространственные карты

Исследователи обнаружили большую популяцию нейронов, которые, как и клетки гиппокампа, становились активными в определенном месте лабиринта.

Интересно, что карта не покрывала всю окружающую среду одинаково. Вместо этого она была в основном ограничена поведенчески значимыми точками лабиринта: где животные ощущали запахи и получали награды.

«Похоже, что важные места были изучены на собственном опыте и закодированы на карте. Примечательно, что эти клетки обонятельной системы начали реагировать в определенном месте, когда запаха не было, даже когда крыса просто ходила, не участвуя в этой задаче», — добавила Синди Пу.

Аромат пространства

Не так ли мы формируем воспоминания, связывающие определенные запахи с определенными местами?

«Мы обнаружили, что некоторые нейроны здесь реагировали на запах, другие — на местоположение, а третьи — на оба типа информации в разной степени. Все эти разные нейроны смешаны вместе и, вероятно, связаны между собой. Следовательно, можно предположить, что активация ассоциаций запаха и пространства может происходить через активность в этой сети», — предположили ученые.

«Наше исследование также открывает новое окно в то, чтобы понять, как чувства используются для навигации и памяти. Люди больше полагаются на визуальные ориентиры, чем на запахи, но вполне вероятно, что принципы того, как мы запоминаем, где мы были, и как добираемся туда, куда мы идем, очень похожи».