Проблемы с органом обоняния кажутся самыми несущественными, если сравнивать их с дисфункцией прочих органов чувств. Такое восприятие распространено не только на обывательском уровне — исследователи до сих пор имеют довольно скудные представления о нейронных процессах, которые запускаются в мозгу человека в момент распознавания им какого-либо запаха. Однако обоняние даже с натяжкой нельзя отнести к функции nice to have. В первую очередь, это охранная система, которая реагирует на потенциально опасные ситуации: испортившиеся продукты питания и аварийные происшествия вроде тех же пожаров, утечки газа или каких-то других вредных веществ. Во-вторых, обоняние тесно связано с ассоциативной памятью (запах свежей выпечки, кофе и корицы вам о чём-нибудь говорит?) и чувством вкуса, позволяет испытывать удовольствие от еды, может менять пищевые привычки и в конечном счёте напрямую влияет на качество нашей жизни.
Как устроено обоняние?
В геноме человека почти тысяча генов G-белок-сопряжённых рецепторов (GPCR*). Это рецепторы, которые воспринимают сигналы от различных молекул. В их числе норадреналин, серотонин, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота и дофамин. При сигнале извне GPCR переходит в активное состояние и связывается с G-белком. G-белок, в свою очередь, передаёт сигнал клетке, обеспечивая запуск ответных реакций. Так мы реагируем на разнообразные внешние стимулы: ощущаем эмоции, испытываем боль, улавливаем визуальный ряд и, наконец, ароматы. И хотя механизм непосредственного распознавания одорантов — летучих молекул с запахом — доподлинно пока неизвестен, мы уже знаем, что за способность воспринимать ароматы и отличать их друг от друга ответственны четыре сотни GPCR.
Проще говоря, рецепторы в полости носа «чуют» запах и по нейронам передают информацию о нём обонятельной луковице. Обонятельная луковица принимает эстафету и сигнализирует уже отделам мозга, ответственным за эмоциональные реакции и когнитивные процессы. Именно поэтому запахи способны вызвать яркое воспоминание и мощный эмоциональный отклик на него.
Формирующийся тренд
Интерес к устройству обонятельной системы и способам влияния на неё постепенно растёт, но среди интерфейсов «мозг–компьютер» это направление всё же самое молодое. Возможно, за последние годы его развитие дополнительно стимулировала пандемия COVID–19: две трети пациентов, перенёсших коронавирусную инфекцию, частично или полностью утратили способность различать запахи или начали ощущать их иначе. У части переболевших обонятельная функция постепенно восстановилась самостоятельно, но остались и те, кто по сей день страдает от паросмии, гипосмии и даже аносмии.
Гипосмия — снижение способности различать запахи.
Паросмия — искажённое восприятие запахов.
Фантосмия — ложное ощущение отсутствующего запаха.
Аносмия — полная утрата обоняния.
Но не ковидом единым: нарушения возникают в результате других инфекций верхних дыхательных путей, неврологических заболеваний, травм, гормональных сбоев и возрастных изменений. Иногда это следствие ожирения или, напротив, голодания, медикаментозной терапии или продолжительного курения.
В некоторых случаях дисфункция обратима — автономно или с помощью вспомогательных устройств. В России и в мире на сегодня разработано несколько прототипов технологий, потенциально способных решать подобные проблемы. Разберём подробнее некоторые из них.
Бионический нос
Осенью 2022 года американские учёные — хирург-отоларинголог и директор Центра расстройств обоняния и вкуса (Университет содружества Вирджинии) — анонсировали разработку нейропротеза, потенциально способного восстанавливать полностью утраченное обоняние. Устройство представляет собой очки со встроенными датчиками:
Источник изображения: IEEE (институт инженеров электротехники и электроники)
Для отоларинголога это исследование стало логичным продолжением работы с кохлеарными имплантами. Концепция обонятельного нейропротеза схожа с концепцией кохлеарных имплантов: обойти повреждённые обонятельные луковицы и стимулировать мозг напрямую (принцип работы кохлеарных имплантов мы объясняли здесь). Только эта задача со звёздочкой: в отличие от слуха обоняние не изучено так досконально, и мы пока не знаем, какие именно физические свойства химических веществ позволяют человеку распознавать запахи.
Дополнительно в качестве отправной точки для разработки бионического носа служат электронные носы, имитирующие обоняние животных и предназначенные для обнаружения взрывчатых веществ, испорченных продуктов питания, в частности, мяса, и т. д. В бионическом носе учёные использовали такой же тип датчиков.
Работу над концепцией технологии исследователи начали ещё до пандемии, но события последних лет ускорили её разработку. Впрочем, процесс этот всё равно небыстрый: на запуск продукта, готового для имплантации людям, команда закладывает ещё от 5 до 10 лет. Пока же бионический нос протестирован на лабораторных крысах.
Обонятельный тренажёр на основе нейроинтерфейсов
Летом 2023 года российские учёные из Сеченовского университета и Сколтеха презентовали тренажёр на основе нейроинтерфейса, занятия на котором помогают восстановить обоняние. Реабилитационную программу подготовили нейробиологи Сколтеха. Программа предполагает нулевой замер, на котором учёные фиксируют изначальное состояние пациента, и стимуляцию образования новых нейронных связей. Последнее стало возможно как раз благодаря обонятельным тренировкам, на которых пациентам предлагают распознавать различные запахи, которые источают эфирные масла.
Источник изображения: Сеченовский университет
Для отслеживания динамики исследователи используют в процессе занятий электроэнцефалографию (ЭЭГ). С помощью ЭЭГ они фиксируют, как мозг пациентов реагирует в ответ на разные раздражители. Такая методика может использоваться как для диагностики, так и для лечения.
Цифровой обонятельный модуль
Проблеме обонятельной дисфункции в сравнении с утратой прочих физических возможностей посвящено не так много внимания, но какие-то работы всё же ведутся. К примеру, ученые из Франции, Греции, Италии, Швейцарии и Германии объединились и в 2021 году начали работу над проектом, посвящённым восстановлению функции обоняния, — ROSE (Restoring Odorant detection and recognition in Smell dEficits). Они надеются в течение 5–10 лет создать цифровой обонятельный модуль.
Вполне вероятно, что как только у научного сообщества появится более детализированное представление о работе обонятельной системы, возникнет и больше идей, как её перезапускать с помощью технологий.
* GPCR — от англ. G-protein coupled receptors.