Запахи, эмоции и сон — чем обонятельная система не похожа на другие сенсорные системы

Из всех сенсорных систем человека обонятельная — одна из наименее изученных. Такой пробел в знаниях отчасти обусловлен отношением к обонянию не только неспециалистов, но и ученых как к интуитивному и не слишком содержательному для человека источнику информации. Однако постепенно накапливаются данные, опровергающие эту точку зрения [1], а пандемия COVID-19 в полной мере продемонстрировала ограниченность такого подхода [2, 3]. Обоняние остается чувством, которое не воспринимается людьми как ценный источник информации. Состояние зрения или слуха отслеживается с раннего возраста, чтобы предупредить нарушения, влияющие на качество жизни, а обонятельные расстройства не принимаются во внимание. В результате потерю обоняния и/или его изменения замечают на поздних стадиях. Тем не менее нарушения обоняния снижают качество жизни, о чем свидетельствуют сообщения пострадавших.

Пациенты часто сообщают о проблемах со способностью защитить себя от окружающих опасностей, отсутствии удовольствия от еды, расстройствах пищевого поведения, а иногда и социальных отношений, притом что эти состояния связаны с функциями обоняния [4]. Об этом в течение жизни узнают около 49% людей, не менее 5% населения полностью теряют чувствительность к запахам [5]. Миллионы людей страдают от обонятельных расстройств, которые приводят к проблемам с психическим и эмоциональным здоровьем [6]. Недостаток сведений о работе обонятельной системы пока не позволяет разобраться и в проявлениях ее дисфункции.

Основная сложность изучения обоняния и поведения, управляемого запахами, состоит в необходимости понимания биологических механизмов, позволяющих различать большое количество запаховых сигналов, которые предъявляются в практически бесконечных комбинациях смесей и концентраций. Кодирование запахов у человека и животных преобразует огромное разнообразие летучих молекул в нейронные паттерны, которые мозг интерпретирует как субъективные запаховые образы — запах кофе, фруктов или тела.

Периферическая обонятельная система у большинства млекопитающих включает две структуры: обонятельный эпителий, расположенный в верхней части носовой полости, и вомероназальный орган, однако анатомия обонятельной системы существенно различается у разных животных. У грызунов основную обонятельную систему и вомероназальный орган дополняют септальный орган и ганглий Грюнеберга [7], а у приматов, включая человекообразных обезьян и человека, вомероназальный орган отсутствует [8]. Большая часть запахов анализируется основной обонятельной системой.

Процесс восприятия запаха начинается, когда вдыхаемый воздушный поток, содержащий молекулы пахучих веществ, проходит через обонятельный эпителий, расположенный в верхней части носовой полости. Эпителий состоит из нескольких типов клеток: обонятельных сенсорных нейронов (ОСН), окружающих их опорных клеток и базальных стволовых клеток. Опорные клетки (высокие столбчатые клетки с апикальными микроворсинками) производят компоненты слизи, покрывающей эпителий, обеспечивают метаболическую и физическую поддержку ОСН. В нижней части эпителия располагаются базальные клетки, способные к постоянному образованию новых ОСН и опорных клеток, что позволяет практически полностью обновлять обонятельный эпителий каждые 2—4 нед. Благодаря такой способности к регенерации повреждения обонятельного эпителия достаточно редко приводят к необратимым последствиям (аносмии) [9].

Обонятельные сенсорные нейроны — биполярные нейроны, немиелинизированные аксоны которых пересекают продырявленную пластинку решетчатой кости и проецируются в обонятельную луковицу (ОЛ). Одиночные дендриты этих клеток выходят на покрытую слизью поверхность обонятельного эпителия и заканчиваются шаровидным утолщением диаметром 1 мкм (булава). От него отходит множество длинных неподвижных ресничек, распространяющихся в слизистом слое, что значительно увеличивает площадь поверхности дендрита [10]. Поскольку рецепторные белки, взаимодействующие с пахучими молекулами, располагаются в мембране ресничек, увеличение площади их поверхности играет важную роль.

Пахучие соединения диффундируют в слизь, покрывающую обонятельный эпителий, и взаимодействуют с обонятельными белками-рецепторами (ОР) на ресничках обонятельных нейронов, в процессе участвуют присутствующие в слизи одорантсвязывающие белки. Считается, что они способствуют контакту гидрофобных молекул пахучих веществ в достижении ОР, а также очищению рецепторов от молекул одорантов после контакта, хотя их точная роль в восприятии запахов до сих пор остается в значительной степени неизвестной [11].

Обонятельные рецепторы представляют собой большое семейство G-белковых рецепторов (GPCR), экспрессируемых в обонятельном эпителии. Открытие нескольких генов ОР у крыс [12] позволило идентифицировать это большое семейство [13]. Считается, что это самое большое семейство в геномах млекопитающих, составляющее до 3% всех генов. Значительная часть семейства генов ОР подверглась псевдогенизации (эволюционный процесс превращения функционального гена в нефункциональный — псевдоген). Это особенно характерно для приматов, в том числе человека, с долей псевдогенов ОР, достигающей 50% — из 800 генов ОР функционально активными остаются 300—400 [14], в то время как у грызунов доля псевдогенов составляет 15—20%, а количество работающих генов достигает 1200 [15]. Таким образом, размер репертуара ОР значительно различается у разных видов животных, и причины такой изменчивости не всегда очевидны. Несмотря на большое количество псевдогенов ОР, обонятельная система человека сохранила способность распознавать широкий спектр химических веществ; однако она менее избирательна для близкородственных пахучих соединений.

Обонятельные рецепторы экспрессируются в ОСН в соответствии с правилом «один нейрон — один рецептор», то есть в каждом нейроне экспрессируется только один из нескольких сотен генов ОР, либо материнского, либо отцовского аллелей [16]. Взаимодействие одоранта с соответствующими ОР запускает внутриклеточный каскад реакций, приводящих к активации ОСН.

Восприятие запаха основано на высокочувствительном распознавании и точном различении множества молекул из окружающей среды. Общее количество стимулов, распознаваемых и различаемых обонятельной системой, еще предстоит определить. Недавнее исследование показало, что человек может различать не менее 1,72 трлн запахов [17]. Это число было оспорено и может представлять верхнюю границу диапазона [18]. В любом случае количество обнаруживаемых и различаемых запахов значительно превышает количество обонятельных рецепторов, присутствующих у любого вида животных [19].

Эксперименты, в ходе которых регистрировались сигналы отдельных ОСН в обонятельном эпителии, показали, что каждый из них избирательно реагирует на более чем один одорант, а отдельные одоранты активируют уникальные наборы ОСН [20]. Получены доказательства того, что разные одоранты или разные концентрации одного и того же одоранта распознаются уникальной комбинацией множества ОР.То есть каждая концентрация конкретного одоранта генерирует свой собственный комбинаторный рецепторный код [21]. Масштабное исследование K. Nara и соавт. [22] позволило объяснить, почему разные одоранты, включая структурно сходные вещества, вызывают разные запаховые ощущения. Во-первых, репертуары ОСН необычайно разнообразны и избирательны в распознавании запахов. Во-вторых, большинство ОСН узко настроены — обнаруживают один одорант или небольшое количество структурно связанных одорантов, хотя в обонятельном эпителии также присутствуют нейроны и с широкой настройкой, реагирующие на большое количество одорантов. В-третьих, подавляющему большинству одорантов соответствует уникальный код активации, содержащий как узко, так и широко настроенные ОСН. Эта комбинаторная стратегия была подтверждена многими исследованиями на различных видах млекопитающих [23—30].

Можно заключить, что модуляция реакции на запахи начинается на уровне ОР еще до того, как стимул достигнет ОЛ. Механизмы комбинаторного кодирования показывают, что связывание одорантов не является пассивным процессом, преобразующим химические сигналы в электрические. Эти первичные механизмы обнаружения активно структурируют химические данные, поступающие в мозг.

Обонятельная луковица считается первой релейной станцией обонятельной системы. Каждый ОСН посылает аксон в ОЛ, сенсорный вход, представленный аксонами ОСН, образует контакты с выходными нейронами и модулирующими интернейронами ОЛ в сферическом нейропиле — обонятельной гломеруле [31]. Внутри гломерул аксонные терминали образуют синапсы с нейронами второго порядка, митральными и пучковыми клетками. Кроме того, информация, передаваемая обонятельными нейронами, обрабатывается сетью интернейронов, прежде чем митральные и пучковые клетки передадут ее в высшие центры [32]. Выходит, что каждый ОСН в обонятельном эпителии экспрессирует только один функциональный ген ОР, а ОСН, экспрессирующие один и тот же вид ОР, направляют свои аксоны к определенной гломеруле ОЛ [33]. Передача возбуждения по пути «один рецептор — один нейрон — одна гломерула» позволяет топографически представить в ОЛ информацию о запахе, сформированную в обонятельном эпителии. Поскольку один одорант, как правило, взаимодействует с различной интенсивностью с несколькими видами обонятельных рецепторов, сигналы преобразуются в паттерн активации гломерул [34]. Такая «карта запаха» передается в обонятельную кору и выступает не только в качестве «цифрового экрана» для кодирования запахов, но и как центр для сортировки различных качеств запаха для запуска врожденных обонятельных реакций, а также для принятия решений на основе информации, хранящейся в памяти. Таким образом, в ОЛ сигнал конденсируется и усиливается, далее происходит его базовая когнитивная обработка. Именно ОЛ является первичным обонятельным центром, кодирующим химические характеристики пахучих веществ и организующим их в пространственном порядке [35, 36]. Одно из существенных отличий обонятельной системы заключается в том, что обонятельная информация передается в корковые области, минуя таламус [32]. Поскольку ОЛ выполняет функцию «бутылочного горлышка» и фильтра сигналов в обработке обонятельной информации, сопоставимую с функцией таламуса в обработке других сенсорных стимулов, ее иногда рассматривают как обонятельный таламус [37].

Обоняние уникально среди органов чувств: его пути практически сразу входят в лимбическую систему, минуя таламус, поэтому запахи напрямую включены в процессы формирования эмоций, мотивации, памяти и социального поведения. Выходные нейроны ОЛ, митральные и пучковые клетки, получающие прямой входной сигнал от обонятельных сенсорных нейронов, проецируются на широкий спектр анатомически и функционально разнообразных целей как у человека [38], так и у других млекопитающих [39]. Сигнал от ОЛ идет к переднему обонятельному ядру, обонятельному бугорку, корковому ядру миндалины, передней и задней грушевидной коре, а также к латеральной энторинальной коре [39, 40]. Эти области в совокупности известны как обонятельная кора. Каждая из структур играет свою уникальную роль в преобразовании вызванной одорантами активности на периферии в восприятие запаха. Обонятельный бугорок является компонентом как обонятельной коры, так и вентрального стриатума [41, 42] у человека [43] и у животных [41]. Как обонятельная кора, он получает прямой входной сигнал от ОЛ, хотя в отличие от других областей обонятельной коры не посылает к ней реципрокных проекций [44]. Он тесно связан с сенсорными, когнитивными, гормональными и связанными с системой вознаграждения областями мозга [42]. Возможно также, что обонятельный бугорок участвует во формировании внимания к запахам [45] и мотивации, вызванной запахами [46], что неудивительно, учитывая его тесную связь с дофаминергической системой вознаграждения и двигательными системами [47].

Несколько ядер миндалины, включая медиальное, базолатеральное и корковое, получают обонятельные сигналы. Активность миндалины тесно коррелирует с приятностью и неприятностью запаха у людей [48] и животных [49, 50]. У грызунов часть коркового ядра миндалины получает прямые сигналы от ОЛ, от передней и задней грушевидной коры [39]. Недавние исследования на грызунах показывают, что корковое ядро миндалины может быть тесно связано с врожденными как аверсивными (избегание неприятных стимулов), так и положительными реакциями на запахи и в меньшей степени с выученными гедонистическими реакциями на запахи [49]. Корковое ядро миндалины, в свою очередь, передает сигналы в базолатеральную миндалину [51], реципрокно связанную с задней грушевидной корой [51]. Таким образом, корковое ядро миндалины обеспечивает прямую реципрокную связь с областями, принимающими участие в организации эмоций и памяти [52]. Это позволяет предположить, что обработка и восприятие запахов могут находиться под влиянием активности миндалины, то есть эмоционального состояния, так же как и эмоциональное состояние может модулироваться запахом. В самом деле, у людей воздействие изображений, вызывающих аффективные реакции, изменяет пороги восприятия запахов и оценки их приятности [53].

Ключевым компонентом обонятельной коры можно назвать грушевидную кору. Анатомически она разделена на переднюю и заднюю части как у человека [54], так и у животных [55]. Оба региона получают прямой входной сигнал от ОЛ, но отличаются строением [56], характером и плотностью как проекций от других областей мозга [51], так и их проекций в другие области мозга [57]. Активность грушевидной коры тесно коррелирует с восприятием запахов у человека [58] и грызунов [59]. Высказано предположение, что грушевидная кора объединяет характеристики запахов, извлекаемые рецепторами и обонятельной луковицей, в перцептивные обонятельные объекты [55, 60], обеспечивая как кодирование качества запаха (например, роза), так и его категоризацию (например, цветочный) [59, 54]. Грушевидная кора осуществляет конструирование обонятельных объектов в зависимости от опыта и играет критическую роль в обонятельной памяти [61].

Грушевидная кора тесно связана с областями мозга, участвующими в организации эмоций и настроения, включая базолатеральное ядро миндалины, орбитофронтальную кору, периринальную кору, медиодорсальное ядро таламуса и латеральный гипоталамус, у животных [39, 62] и у человека [38]. Таким образом, помимо того, что грушевидная кора имеет решающее значение для кодирования запаховых объектов и их запоминания, она может служить важным двунаправленным интерфейсом между запахами и эмоциями [63, 50]. Такая структура связей делает обонятельную кору связующим звеном между запахами и эмоциями, мотивацией и когнитивными процессами у грызунов и, возможно, у человека. Учитывая, что многие из этих связей являются реципрокными, эмоции, мотивация и когнитивные процессы могут модулировать реакции на запахи.

В разных культурах запахи всегда считались мощными факторами, вызывающими эмоции [64]. В последние несколько десятилетий растет число научных публикаций, подтверждающих это наблюдение [65, 66], ряд исследований свидетельствует об особой связи между запахами и эмоциями (таблица). Известно, что запахи вызывают яркие эмоциональные воспоминания о прошлом, [67] и если запах ассоциирован с эмоциональным переживанием, то при повторном воздействии он может вызывать связанные с ним эмоции [68]. Существует и обратная сязь — запахи могут изменять эмоции [69, 70]. Несмотря на то что запахи могут вызывать как основные эмоции (страх, счастье, отвращение, гнев, удивление и печаль) [71, 66], так и более широкий их спектр, все они так или иначе связаны с переживанием счастья и отвращения [72—74]. Восприятие приятного или неприятного запаха (его гедонические свойства или валентность) представляет собой ключевой аспект обонятельного опыта [74, 50]. Это выглядит логичным: эмоции мотивируют организмы адаптировать свое поведение к меняющимся ситуациям [75], а наиболее эффективные формы реакции на изменение среды — это исследование и избегание [76], что хорошо согласуется с основной двумерной эмоциональной реакцией на запахи: приятность служит сигналом к исследованию, неприятность — к избеганию. Запахи не только обладают внутренней гедонической валентностью, но и могут приобретать или изменять ее в процессе накопления опыта [77, 78]. Запахи обладают и множеством других перцептивных свойств, которые могут влиять на эмоции, смещая их в сторону более высоких или более низких уровней возбуждения, а также в сторону приятности или отвращения [79].

Некоторые эффекты наиболее исследованных одорантов

Хотя гедонические свойства считают основной характеристикой восприятия запахов, ограничение описания эмоциональной реакции на запах только положительными/отрицательными (гедоническая валентность) и возбуждающими/успокаивающими ощущениями чрезмерно схематично и не объясняет всего разнообразия воздействия запахов на человека и животных [80]. Результаты исследований показывают, что описание чувств, вызванных запахами, с помощью одного измерения валентности (или валентности и возбуждения) теряет большую часть важных качественных различий между воздействиями на эмоции различных типов запахов [64, 81—83]. Так, ароматы, которые оценивались одинаково в отношении валентности и возбуждения, четко различались, когда участники оценивали их с помощью нескольких прилагательных, описывающих эмоциональное состояние [84].

Уникальность обоняния человека состоит в трудности вербального описания обонятельных ощущений [85]. Распространенный подход — в создании заранее определенных или определяемых потребителями лексиконов для использования в самоотчете, однако классические вербальные методы, такие как анкеты, часто не позволяют в полной мере оценить весь спектр эмоциональных переживаний [84], которые более подвержены влиянию факторов, связанных с ожиданиями, и вариациям в присвоении людьми определенных категорий эмоций [86], а также более восприимчивы к гедоническим эффектам [87]. Кроме того, если участники исследований не осознают эти эмоциональные состояния [88], такие методы могут быть неприменимы.

Запахи могут модулировать эмоции, даже если они воспринимаются неосознанно [66]. Так, слабые окружающие запахи могут влиять на намерения и фактический выбор продуктов питания [89]. Этот эффект верен не для всех запахов, на него влияют индивидуальные факторы, и он зависит от контекста. Показано, что субпороговые уровни запаха андростадиенона (одно из специфических соединений, содержащихся в запахе человеческого тела) улучшали настроение женщин по сравнению с контрольной группой, которая не подвергалась воздействию запаха [90]. Однако этот эффект был значимым только тогда, когда в комнате находился экспериментатор противоположного пола.

Исследования с регистрацией физиологических и нейрофизиологических показателей (частота сердечных сокращений, гальваническая реакция кожи, электроэнцефалография (ЭЭГ), функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ)) показали способность запахов вызывать расслабление или бодрость, а также снимать тревогу или стресс. Так, лавандовое масло способствовало расслаблению и снижало тревогу с одновременным увеличением альфа-ритма при ЭЭГ [91]. Напротив, индукция тревожности может изменить восприятие нейтральных запахов на неприятное, а также модифицировать активность обонятельной коры и связанных с ней областей [92].

Миндалина играет существенную роль в развитии тревоги, а подавление активности ее центрального ядра может оказывать анксиолитическое действие [93]. Кратковременное возникновение тревоги у человека может вызвать изменение восприятия запахов, и нейтральные запахи начинают восприниматься как неприятные, может измениться и чувствительность к ним. Это вызванное тревогой изменение восприятия связано с индуцированным запахами усилением активности грушевидной и орбитофронтальной коры, а также с усилением функциональной связи между миндалиной и обонятельной корой [92]. Связанные с настроением изменения нейронных связей и реакции на запахи могут частично быть вызваны связанными с тревогой изменениями уровня кортизола [94]. Напротив, воздействие запахов может влиять на тревожность [95]. Как у людей, так и у животных запахи, включая лаванду [96], цитрусовые ароматы [97], могут оказывать анксиолитическое действие, в некоторых случаях через цепи и сигнальные каскады, подобные тем, которые вызываются фармакологическим лечением. У животных воздействие аромата лаванды может изменять активность рецепторов ГАМК [95] или серотонина [96], на которые воздействуют некоторые фармакологические анксиолитики. Однако многие из этих исследований основаны исключительно на контроле без запаха и, следовательно, не позволяют напрямую сравнивать эффективность различных запахов для вызывания этих эффектов.

Приведенные примеры показывают, что обонятельная система и нейронные цепи, участвующие в регуляции эмоций, в значительной степени перекрываются и взаимосвязаны. Как структуры самой обонятельной коры (грушевидная кора, обонятельный бугорок), так и области, расположенные на один синапс дальше основного обонятельного пути (орбитофронтальная кора, базолатеральное ядро миндалины, гиппокамп), обычно считаются областями, участвующими в регуляции эмоций. Тесная связь обонятельных и эмоциональных цепей объясняет влияние запахов на эмоции и эмоций на восприятие запахов. Однако эта связь не всегда однозначная, что мешает, например, использовать запахи в терапии. Так, эффективность запахов, оказывающих анксиолитическое действие [96, 92, 95], может существенно различаться у разных людей и даже быть различной для одного человека с течением времени или в разных условиях. Кроме того, в обонятельной системе возникает привыкание к фоновым запахам. Долгосрочное лечение тревожности с помощью воздействия запахов потребует решения проблем адаптации рецепторов и привыкания центрального генеза. Лечение или предотвращение более острого случая тревожности, например вызванной посещением стоматолога или сдачей экзамена, может быть более осуществимо [97]. Кроме того, тревога и стресс сами по себе могут влиять на обонятельную функцию [92, 94], что может помешать реализации терапевтического эффекта.

Снижение обоняния сопровождает ряд неврологических расстройств. Так, депрессия связана со снижением обоняния, особенно при длительном течении, а сама утрата обоняния вызывает депрессию [98]. Обонятельные нарушения также связаны с психическими заболеваниями, многими формами деменции. Это отражает тесную связь между обонянием и эмоциональными нервными сетями и поднимает вопрос о том, что потеря обоняния может служить ранним биомаркером многих расстройств.

Таким образом, запахи имеют гедоническую валентность и напрямую вызывают эмоции. Пока не совсем ясно, как запахи модулируют эмоциональные состояния. Понимание структуры нейронных цепей, лежащих в основе сложных и изменчивых эмоций, представляет собой сложную задачу. Кроме того, большая часть работ в этой области сосредоточена на эмоциях, вызывающих страх, тревожные или депрессивные эмоции, как из-за большой востребованности для медицинского применения, так и из-за относительной простоты экспериментального контроля, хотя предпринимаются все большие усилия по изучению радости, вознаграждения и позитивных эмоций.

Подавляющее большинство работ, посвященных взаимодействию между обработкой сенсорной информации и сном, сосредоточены на таламокортикальных сенсорных системах (зрение, слух, осязание). Эти системы имеют близкую анатомическую структуру и схожую зависимость от состояния сна и бодрствования, а также возможностью его модуляции. Уникальный нейроанатомический путь обонятельной системы может иметь необычную связь со сном [99, 100].

Известно, что с учетом некоторых нейрофизиологических особенностей сон у людей и других млекопитающих может быть разделен на несколько стадий, включая сон с быстрыми движениями глаз (быстрый сон) и медленноволновой сон без быстрых движений глаз (медленный сон). Для сна характерно также снижение реакции на внешние стимулы, однако, несмотря на снижение реакций, эти стимулы обрабатываются во время сна и влияют на активность мозга [101], часто приводя к пробуждениям. Слуховые, соматосенсорные и зрительные стимулы нарушают сон, вызывая пробуждения, нарушая продолжительность и структуру сна [102].

При исследовании влияния запахов на цикл «сон — бодрствование» необходимо иметь в виду, что одоранты делятся на две категории в зависимости от механизмов их воздействия на слизистую носовых ходов. К первой категории относят чистые запаховые вещества, избирательно активирующие только ОР обонятельного эпителия (сероводород, ванилин и фенилэтиловый спирт) [103]. Вторая категория включает тригеминальные одоранты, стимулирующие не только ОСН, но и ветвь тройничного нерва в обонятельном эпителии [104]. Например, нашатырный спирт, табак, лук, ментол, эвкалипт воспринимаются не только, как запахи, но вызывают и соматические ощущения: жжение, покалывание, прохладу или зуд.

В отличие от сенсорных стимулов других модальностей воздействие чисто обонятельных и даже слабо тригеминально воспринимаемых запахов не приводит к пробуждению или бодрствованию [105, 100]. Кроме того, показано, что обонятельная стимуляция во время сна благотворно влияет на его течение [106] как у здоровых людей [107], так и в клинических условиях [108] (см. таблицу). Несмотря на то что поступающая обонятельная сенсорная информация не вызывает возбуждения, она обрабатывается спящим мозгом [105, 100]. Например, запах кедрового масла сокращал время засыпания в фазе медленного сна у людей [109]. Лавандовое масло, предъявляемое во время сна, увеличивало общее время сна, повышало бодрость на следующее утро [110] и способствовало засыпанию пациентов с бессонницей [111]. В хорошо контролируемом исследовании с использованием полисомнографии некоторые запахи (лаванда или ваниль), предъявляемые во время сна, увеличивали мощность как дельта-колебаний, так и сонных веретен, регистрируемых во время медленного сна, что указывает на улучшение качества сна [100]. Аромат жасмина, распространяемый в комнате во время ночного сна, приводил к повышению эффективности сна [112]. У животных масло валерианы сокращало время засыпания и увеличивало общее время сна [113], а α-пинен (древесный смолистый запах) увеличивал продолжительность парадоксального сна [114].

В некоторых случаях запахи могут вызывать и пробуждение. Так, например, у голодных, но не у сытых крыс пробуждение вызывает запах пищи, эффект более выражен в фазу медленноволнового сна [115]. Пробуждение также может быть вызвано у некоторых испытуемых неприятными (потенциально опасными) запахами. У людей с высокой обонятельной и/или тригеминальной чувствительностью при воздействии запахов наблюдаются сокращение продолжительности сна и тенденция к увеличению латентного периода засыпания [116].

В отличие от других исследованных чувств запахи не вызывают кортикальных К-комплексных (КК) реакций во время сна у человека [100]. Предполагается, что КК-реакции позволяют поддерживать постоянное состояние низкого или нулевого возбуждения при воздействии внутренних или внешних стимулов, тем самым отражая защитный механизм сна [117]. Отсутствие этого механизма может отражать либо низкую эффективность запахов в вызывании пробуждений, либо уникальную архитектуру обонятельного пути. Запахи могут модулировать латентный период, улучшать как объективное, так и субъективное качество и продолжительность сна. Механизмы, лежащие в основе этого эффекта, изучены недостаточно.

Хотя реакция на запах снижается во время сна, особенно во время nREM-сна, обработка запаха, по-видимому, происходит во всех стадиях. Изменения ЭЭГ и вегетативных реакций (ритма сердца), вызванные запахом мяты перечной у людей на стадии II медленного сна, оказались более выраженными, чем при вдыхании чистого воздуха [105]. Латентность пробуждения из медленного сна в ответ на угрожающие стимулы (запах хищника) у мышей аналогична при прямом сравнении раздражителей слуховой, вестибулярной/соматосенсорной и обонятельной модальностей [118] в отличие от ограниченной способности окружающих запахов вызывать пробуждение по сравнению со слуховыми сигналами [119].

Возможно, что разнообразие прямых мишеней проекционных нейронов ОЛ может создавать параллельные потоки обработки обонятельной информации, некоторые из которых зависят от состояния, например от сна, а некоторые — нет. Так, у грызунов функциональная связь между грушевидной корой и медиодорсальным таламусом снижается в состоянии медленного сна по сравнению с бодрствованием [120], что может изменять опосредованный поток информации между грушевидной и орбитофронтальной корой, оставляя при этом прямую связь между грушевидной орбитофронтальной корой сохранной. Насколько различно влияние сна на выходной сигнал обонятельной луковицы в миндалину, обонятельный бугорок, грушевидную или энторинальную кору, в настоящее время неизвестно. Сведения об этом могли бы сформировать представление о воздействии сна на обработку запахов, специфических для различных обонятельных путей. Например, обонятельный ввод может быть очень эффективен для управления одними структурами/путями во время сна, но менее эффективен для управления другими областями, которые нацелены на системы возбуждения. Возможно, как у людей, так и у грызунов некоторые аспекты обработки запахов регулируются сном, другие — нет.

Еще одна отличительная особенность обонятельной системы заключается в ее широкой связи с системой возбуждения, контролирующей цикл «сон — бодрствование», который регулируется группой ядер, расположенных в стволе головного мозга. Эти ядра моносинаптически и полисинаптически проецируются в первичные и вторичные области обонятельной системы [121]. Так, около 40% всех нейронов одного из ключевых участников индукции бодрствования голубого ядра, норадренергического ядра моста [122] у крыс проецируются в обонятельную луковицу. Эта связь с ОЛ почти в 10 раз сильнее, чем с любым другим отделом коры головного мозга [123]. Норадреналин, выделяемый голубоватым пятном, растормаживает нейроны ОЛ [124], усиливает обнаружение относительно слабых запахов [125] и вовлечен в нейронные реакции ОЛ на выученные запахи [125].

Уникальная способность чисто обонятельных одорантов обрабатываться без пробуждения делает их важным инструментом для изучения роли сна в механизмах обучения, памяти, в частности консолидации памяти. Запахи служат сигналом для реактивации или модификации психических процессов, пережитых или усвоенных до начала сна, и даже в некоторой степени позволяют усваивать новую информацию в течение сна. Например, выполнение задачи улучшалось при предъявлении запаха в качестве контекста в предыдущем обучении у людей; добровольцы обучались визуально-пространственной задаче определения местоположения объекта в присутствии запаха. Затем запах предъявлялся снова во время медленного или быстрого сна, чтобы избирательно реактивировать связанную с ним память. Повторное воздействие запаха во время медленного, но не быстрого сна улучшило время запоминания местоположения объекта. фМРТ показала активацию гиппокампа в ответ на предъявление запаха в период медленного сна, что согласуется с поведенческими реакциями [126]. Используя аналогичную задачу на зрительно-пространственную память, авторы также выясняли, требуется ли для активации памяти, вызванной запахом, один и тот же запах во время обучения и последующего сна. Повторное воздействие запаха во время сна значительно улучшало память, однако этого не наблюдалось, когда предъявлялся новый запах или средство без запаха [127].

Нарколепсия — хроническое расстройство, характеризующееся неспособностью регулировать цикл «сон — бодрствование». У пациентов с нарколепсией наблюдаются постоянная дневная сонливость, аномально короткая латентность быстрого сна, сонный паралич и катаплексия при пробуждении или засыпании, а также внезапные эпизоды катаплексии, вызванные сильными эмоциональными переживаниями [128]. У пациентов с нарколепсией выявлена обонятельная дисфункция. Они имели низкие результаты выполнения обонятельных тестов, значительное повышение порога обонятельного восприятия и нарушение распознавания запахов [129].

Расстройство поведения в быстром сне (РПБС) характеризуется потерей нормальной скелетной мышечной атонии во время быстрого сна с выраженной двигательной активностью и сновидениями. РПБС может быть связано с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона или деменция с тельцами Леви [130, 131]. У таких пациентов обонятельный порог оказался выше, а способность к различению и идентификации запахов — ниже по сравнению с контрольной группой [130, 131].

Все сенсорные системы млекопитающих, за исключением обонятельной, имеют общую структуру проекций, которая позволяет обнаруживать, различать и распознавать изменения во внешней, а в некоторых случаях и во внутренней среде. Обонятельная система отличается от других сенсорных систем — информация на пути от рецепторов к неокортексу минует релейный узел таламуса, что может быть причиной большого числа неосознанных процессов при восприятии запахов. Возможно, именно с этим связана еще одна особенность обоняния человека — сложности с вербальным описанием своих обонятельных ощущений. Кроме того, обонятельная информация сначала обрабатывается в палеокортексе (обонятельная луковица, грушевидная кора) и лишь потом передается в неокортекс, в то время как сенсорная информация других модальностей в основном обрабатывается в неокортексе. Наконец, обонятельная система тесно связана с лимбической, что приводит к сильным эмоционально окрашенным реакциям на запахи и устойчивой связи обоняния с организацией памяти.

Как и в других сенсорных системах, несмотря на существенные анатомические различия, сон играет важную роль в обонятельной функции, включая модуляцию чувствительности к запахам, выступая в качестве важного регулятора как перцептивного, так и ассоциативного хранения обонятельной памяти. Обоняние также играет важную модулирующую роль в отношении сна. Запахи могут модулировать задержку засыпания, качество и продолжительность сна. Взаимодействие между сном и обонянием открывает новые возможности для модуляции памяти, связанной со сном, а также для разработки немедикаментозных методов лечения простых нарушений сна с помощью обонятельных воздействий. Особая нейронная организация обонятельной системы находит отражение и в цикле «бодрствование — сон». Так, слабые обонятельные и слабые тригеминальные запахи не вызывают пробуждения или возбуждения во время сна. Спящий мозг обрабатывает эти стимулы, и они продолжают влиять на сенсорные петли обоняния.

Обонятельные нарушения, как и нарушения сна, связаны со многими патологиями, включая шизофрению, депрессию и многие формы деменции. Эта взаимосвязь отражает тесную связь между обонянием, эмоциями и сном и поднимает вопрос о том, что потеря обоняния может служить ранним биомаркером многих расстройств. Модуляция эмоционального состояния и цикла «сон — бодрствование» посредством применения естественных в настоящее время или синтезированных в дальнейшем одорантов представляется перспективным нефармакологическим подходом к лечению тревожных расстройств, депрессии и инсомнии.

Разрабатываются моно- и поликомпонентные составы, содержащие одоранты с физиологически обоснованным воздействием на структуры мозга, вовлеченные в развитие этих нарушений. Одним из вариантов комплексного подхода устранения тревоги, стресса и нарушений сна является применение аромароллеров «Сон» и «Бодрость» с натуральными эфирными маслами терапевтического действия и лекарственного препарата «Гомеострес».

Вклад авторов: концепция и дизайн исследования — Полуэктов М.Г., Родионова Е.И.; сбор и обработка материала — Родионова Е.И.; статистический анализ данных — нет; написание текста — Родионова Е.И., Полуэктов М.Г.; научное редактирование — Родионова Е.И., Полуэктов М.Г.

Authors contribution: study design and concept — Poluektov M.G., Rodionova E.I.; data collection and processing — Rodionova E.I.; statistical analysis — no; text writing — Rodionova E.I., Poluektov M.G.; scientific editing — Rodionova E.I., Poluektov M.G.

Публикация подготовлена при поддержке ООО «Буарон».

The article is prepared with the support of Boiron LLC.