Учёные предполагают, что механизмы, лежащие в основе обоняния, могут быть намного проще, чем считалось ранее.
Понюхайте чашечку кофе.
Понюхайте ее по разному; летом или зимой; в кафе с булочкой; в пиццерии с пепперони и даже в пиццерии с булочкой!.. кофе пахнет как кофе.
Почему другие запахи или различные факторы окружающей среды не “мешают”, так сказать, ощущению отдельных запахов? Исследователи из Инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе обратились к своему надежному объекту исследования - саранче, чтобы выяснить это.
То, что они обнаружили, было “на удивление просто”, по словам Барани Рамана, профессора биомедицинской инженерии. Их результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Раман и его коллеги годами работали с саранчой, наблюдая за их мозгом и поведением, связанным с запахом, в попытке создать саранчу, нюхающую бомбы. На этом пути они добились значительных успехов.
Чтобы понять, как саранча может последовательно распознавать запахи независимо от контекста, они взяли пример с Ивана Павлова. Как и собаки Павлова, саранчу приучили ассоциировать запах с едой, предпочитая траву. Проведя день без пищи, саранчу подвергали воздействию запаха (запаха гексанола или изоамилацетата), а затем давали травинку. Всего за шесть таких презентаций саранча научилась открывать свои щупальца (сенсорные придатки, расположенные близко ко рту) в ожидании закуски, просто понюхав “обучающий запах”. Точно так же, как мы распознаем кофе, обученная саранча могла распознавать запах и не позволяла другим факторам мешать этому.
В этот же момент исследователи начали изучать, какие нейроны срабатывали, когда саранча подвергалась воздействию запаха в разных условиях, в том числе в сочетании с другими запахами, во влажных или сухих условиях, когда они голодали или были полностью накормлены, обучены или нетренированы, и в течение разного количества времени.
Оказалось, что при разных обстоятельствах исследователи видели, как активировались крайне противоречивые паттерны нейронов, даже несмотря на то, что щупальца саранчи открывались каждый раз. “Нейронные реакции были очень изменчивы", - сказал Раман. “Это, казалось, противоречило тому, что делала саранча, с точки зрения поведения”.
Как переменные нейронные реакции могут приводить к последовательному или стабильному поведению? Чтобы разобраться в этом, исследователи обратились к алгоритму машинного обучения. “Мы хотели посмотреть, можем ли мы, учитывая эти переменные паттерны нейронной реакции, предсказать поведение саранчи, учитывая эти переменные паттерны нейронной реакции?” - сказал Раман. “Ответ был " да, мы можем”.
Алгоритм оказался очень простым в интерпретации. В нем используются два функциональных типа нейронов: есть включенные нейроны, которые активируются при наличии одоранта, и есть ВЫКЛЮЧЕННЫЕ нейроны, которые отключаются при наличии одоранта, но активируются после окончания воздействия запаха.
“Вы можете думать о нейронах ВКЛЮЧЕНИЯ как о "доказательстве" присутствия запаха, а о нейронах ВЫКЛЮЧЕНИЯ как о” доказательстве "присутствия этого запаха", - сказал Раман. Чтобы распознать присутствие одоранта, исследователям просто нужно было добавить доказательства присутствия одоранта (т. е. Добавить шипы по всем нейронам) и вычесть доказательства присутствия этого запаха. Если бы результат был выше определенного порога, машинное обучение предсказало бы, что саранча учуяла запах.
“Мы были удивлены, обнаружив, что этот простой подход-это все, что было необходимо, чтобы надежно распознавать запах”, - сказал Раман.
Раман сравнил этот процесс с покупкой рубашки. Допустим, у вас есть список качеств, которые вы ищете — хлопок, длинные рукава, пуговицы, однотонный цвет, возможно, передний карман для очков-и несколько вариантов, таких как только для сухой чистки или цвет в горошек.
Вам может повезти, и вы найдете рубашку, которая именно то, что вы ищете. Но, более прагматично, вы бы совершили покупку, пока присутствуют многие функции, которые вы ищете, и большинство функций, которые нарушают условия сделок, отсутствуют.
Поиск нужных вам функций аналогичен информации, передаваемой нейронами ON. Отсутствие прерывателей похоже на глушение отключенных нейронов. До тех пор, пока достаточное количество нейронов, которые обычно активируются одорантом, сработало—а большинство нейронов не сработало—можно с уверенностью предсказать, что саранча откроет свои щупальца в ожидании травянистого угощения.
Оригинальное исследование: Закрытый доступ.
