Magdalena Kawalec-Segond: Magia zapachu działa jak obraz czy symfonia?

Proces ten daje się matematycznie opisać. Na czym polega „rozumienie zapachów” przez nasz mózg? Pytanie trudne, ale na odpowiedź poważyli się „modelarze” z Uniwersytetu w Rochester (USA). Proces ten bowiem, choć robi tajemnicze wrażenie, daje się matematycznie opisać. Świat wrażeń zmysłowych jest pełen tajemnic. Najbardziej złożony, ale i najlepiej dotąd poznany wydaje się nam wzrok. Nauka ma dziś całkiem sporo jasności nie tylko na temat tego, jak w oczach dzięki czopkom i pręcikom siatkówki powstaje recepcja światła, ale i co z tym wszystkim robi nasz mózg. Tak, że nie tylko nie jest tajemnicą całkowitą, jak w naszym mózgu powstają obrazy. Świat który widzimy, zasadniczo wygląda właśnie tak w naszym mózgu, a nie obiektywnie. Nie przeszkadza nam to jednak specjalnie, a nawet i to, że wzrok tak łatwo omamić. Kolejnym nieźle poznanym zmysłem jest słuch. Rozumiemy w pełni działanie receptorów w uchu wewnętrznym, rozumiemy zasady przekształcania tych sygnałów dźwiękowych (fal mechanicznych o określonej częstości) we wrażenia słuchowe w korach słuchowych kolejnego rzędu. W obu przypadkach nasze zrozumienie jest na tyle głębokie, że powstają i są testowane coraz doskonalsze aparaty umożliwiające protetykę wzroku czy słuchu. Nieco inaczej jest z węchem. Dopiero w 2004 za niewiele wcześniejsze badania nad rozszyfrowaniem działania receptorów węchowych i organizacji układu węchowego została przyznana Nagroda Nobla dwojgu amerykańskim naukowcom: Lindzie B. Buck i Richardowi Axelowi. Wiemy, że zapachy na nas działają i wiemy, że otaczamy się nimi celowo, np. dla podniesienia własnego prestiżu społecznego czy oddania czci bóstwu, Zobacz także: a nawet istnieją specjalne zawody perfumiarza i aromaciarza, którzy mają „komponować” zapachy ze składników chemicznych tak, aby w naszym mózgu wywoływać pożądane wrażenia . Do dziś jednak doprawdy niewielkie mamy pojęcie, jak w istocie odebranie sygnału chemicznego, który jest dla nas wonny, jest przetwarzane w naszym mózgu na wrażenie.Wrażenie sugeruje, że może być to coś, niczym obraz, kompozycja zapachowa zaś, że to będzie jednak działać, jak dźwięk. Zrozumienie tego jest bardzo istotne, gdyż to właśnie węch jest jednym z podstawowych zmysłów budujących w nas bardzo silne emocje. I nie trzeba się tu naoglądać filmu „Pachnidło” Toma Tykwera na podstawie bestseleru Patricka Süskinda. Wystarczy uprzytomnić sobie, jaką gigantyczną i trwałą odrazą potrafią nas napełnić zapachy zepsucia. To ratuje nam życie, chroni przed kontaktem z gniciem, śmiercią i zarazą, zatem musi być mocne, sugestywne, nie do zapomnienia. Podobnie jest z zapachem ukochanej osoby, dziecka, ukochanego kwiatu, najulubieńszych perfum – oczywiście wywołują one wrażenia przyjemne i pozytywne asocjacje. Stymulacja węchowa to także podstawa stymulacji smakowej – czego doświadczy każdy, komu wrażenia smakowe dołują przy zatkanym nosie. Najnowsze badania uczonych z Centrum Medycznego Uniwersytetu w Rochester w stanie Nowy Jork skupiają się właśnie nad tym, jak wrażenia zapachowe powstają w naszym mózgu. Jak wyjaśniają sami uczeni, Zhen Chen i Krishnan Padmanabhan na łamach „Cell Reports”, zaproponowano wiele modeli wyjaśniających, w jaki sposób zapachy są reprezentowane w korze węchowej. Ponieważ praca mózgu to swoista kombinatoryka – która polega na wybieraniu tych a nie innych połączeń nerwowych dla przebiegu konkretnych sygnałów oraz kodowanie sygnałów – rzecz cała daje się matematycznie modelować. #wieszwiecej Polub nas Rzecz cała, czyli pytanie: co się dzieje, gdy poczujemy zapach? Jak nasz mózg przetwarza sygnał chemiczny zapachu odebrany przez receptor chemiczny nabłonka węchowego? Jest jasne, że to od razu trafia do mózgu – nie ma bowiem żadnego nerwu węchowego, jest węchomózgowie – najstarsza ewolucyjnie część mózgu kręgowców. Zatem, czy powstające w wyniku przekazu tego sygnału o połączeniu się konkretnej substancji chemicznej z jej receptorem białkowym w nabłonku węchowym, którego komórki są jednocześnie neuronami, wrażenie jest jak obraz — migawka migotliwej aktywności komórek — uchwycony w jednej chwili? Czy raczej jak symfonia, ewoluujący zespół różnych komórek współpracujących ze sobą, aby uchwycić zapach? Nowe badania in silico, w których uczeni zbudowali modele matematyczne działania podstawowych struktur mózgowych zaangażowanych w recepcję zapachów i dzięki nim zrozumieli, że nasz mózg z zapachami postępuje i w sposób niebanalny, robiąc i jedno i drugie na raz. Podstawową zasadą działania układu nerwowego w świecie interpretacji stymulacji zmysłowych okazuje się elastyczność w rodzaju „obliczeń” dokonywanych przez mózg – w tym wypadku sieć neuronów analizujących zapachy i budujących oparte na nich wrażenia. Naukowcy opracowali model symulujący działanie wczesnego układu węchowego — sieci neuronów, na której opiera się mózg przy budowaniu wrażeń zapachowych. Stosując symulacje komputerowe, odkryli, że kluczową rolę odgrywa specyficzny zestaw połączeń, zwanych włóknami odśrodkowymi, które przenoszą impulsy z innych części ośrodkowego układu nerwowego do pierwszych obszarów węchowych w mózgu. Te włókna odśrodkowe działają jak przełącznik. Pozwala on wybrać pomiędzy różnymi strategiami budowania wrażenia zapachowego. Przełącznik działa w czasie – ma w nim różne stany. Prowadzi to do działania, w którym dzięki przełącznikowi kora gruszkowata (węchowa) może korzystać z wcześniejszych wzorców aktywności mózgu pod wpływem zapachów, korygując dokładność i szybkość wykrywania i klasyfikacji zapachu. Procesy te sugerują, że mózg reaguje na zapachy na wiele sposobów. W jednej strategii wykorzystuje migawkę, taką jak obraz lub zdjęcie, w danym momencie, aby uchwycić podstawowe cechy zapachu. W drugiej strategii mózg śledzi ewoluujące wzorce. Jest dostrojony do tego, które komórki włączają się, wyłączają i kiedy — jak instrumenty w symfonii.„Te matematyczne modele ujawniają krytyczne aspekty działania układu węchowego w mózgu i mogą pomóc w tworzeniu inspirowanych mózgiem sztucznych systemów komputerowych. Podejścia obliczeniowe inspirowane obwodami mózgu, takie jak ten, mogą poprawić bezpieczeństwo autonomicznych samochodów lub pomóc algorytmom widzenia komputerowego dokładniej identyfikować i klasyfikować obiekty na obrazie” – twierdzą autorzy badania wypytywani przez służby prasowe swojego uniwersytetu. Ja bym dodała – pomogą w tworzeniu sztucznych inteligencji analizujących zapachy. Bo zapachy potrafią być obezwładniające. Dlatego o niczym tak nie marzą twórcy mediów przyszłości, jak o tym, żeby mogli przekazywać zapachy wprost, tak jak dziś przekazują obrazy i dźwięki. Na tej drodze nastąpił pod koniec zeszłego roku niemały przełom. Korzystając z uczenia maszynowego, model komputerowy nauczył się wąchać w ciągu zaledwie kilku minut. Naukowcy odkryli, że kiedy tak się dzieje, buduje sieć neuronową, która ściśle naśladuje obwody węchowe wykorzystywane przez mózgi zwierząt do przetwarzania zapachów. Tak przynajmniej stało w czasopiśmie „Neuron” dzięki artykułowi autorstwa Guangyu Roberta Yanga, dziś w prestiżowym McGovern Institute for Brain Research w MIT, który swoje badania nad uczeniem maszyny, jak odbierać zapach, zrobił na Columbia University.