Как насекомые распознают запахи с минимумом нейронов

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснили, как плодовые мушки (Drosophila) с их ограниченной обонятельной системой (около 100 000 нейронов против миллиардов у млекопитающих) эффективно распознают сложные запахи. Ключ оказался в периферической «предобработке» сигналов, а не только в их анализе центральным мозгом.

Механизм обоняния на периферии

Мушки ощущают запахи с помощью антенн, покрытых сенсорными волосками. Каждый волосок содержит два обонятельных рецепторных нейрона (ORN), которые активируются разными молекулами запаха. Эти нейроны в одной паре электрически связаны (сопряжены).

• Аналогия: Как два близко расположенных провода, по которым течёт ток, — их сигналы взаимодействуют через электромагнитные помехи.
• Роль взаимодействия: Эта «помеха» полезна. Специфическая картина интерференции между рецепторами помогает мушке быстро оценить суть запаха («хороший он или плохой?») ещё до передачи сигнала в центральный мозг.

Алгоритм и открытие

Учёные создали математическую модель обработки запахов с учётом электрического сопряжения ORN и проанализировали коннектом (карту нейронных связей) мозга мухи.

Главное открытие: Оптимальное соотношение компонентов в смеси запахов, к которому наиболее чувствителен каждый сенсорный волосок, определяется генетически предопределённой разницей в размерах между парой связанных обонятельных нейронов.

«Наша работа подчёркивает далеко идущую алгоритмическую роль сенсорной периферии для обработки как врождённо значимых, так и узнаваемых запахов в центральном мозге», — отметил профессор Джонатан Альджадефф.

Значение и перспективы

• Для нейробиологии: Работа показывает, как нейроны высших мозговых центров могут использовать сбалансированные вычисления на периферии. Это меняет фокус с центрального мозга как главного процессора на распределённую систему обработки.
• Для технологий: Принципы, обнаруженные в биологической системе, могут лечь в основу проектирования компактных сенсорных устройств, способных интерпретировать сложные данные (например, в «электронных носах»).

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.