Delikatni miris jasmina oduševljava čula. Slatki miris je popularan u čajevima, parfemima i potpuri. Ali uzmite dašak koncentrovanog esencijalnog ulja i prijatna aroma postaje gotovo zamorna. Zaista, deo mirisa cveta potiče od jedinjenja skatola, istaknute komponente mirisa fekalija.
Naše čulo mirisa je očigledno složen proces; uključuje stotine različitih receptora mirisa koji rade zajedno. Što više miris stimuliše određeni neuron, to više električnih signala neuron šalje u mozak. Ali istraživači sa UC Santa Barbara otkrili su da ovi neuroni zapravo utihnu kada se miris podigne iznad određenog praga. Zanimljivo, ovo je bilo sastavni deo načina na koji je mozak prepoznao svaki miris. „To je karakteristika; to nije greška“, rekao je Matthieu Louis, vanredni profesor na Odeljenju za molekularnu, ćelijsku i razvojnu biologiju.
Paradoksalno otkriće, objavljeno u Science Advances, potresa naše razumevanje mirisa. „Isti miris može biti predstavljen veoma različitim obrascima aktivnih olfaktornih senzornih neurona u različitim koncentracijama“, rekao je Louis. „Ovo bi moglo objasniti zašto se neki mirisi mogu percipirati kao veoma različiti od nas pri niskim, srednjim i veoma visokim koncentracijama. Razmotrite, na primer, miris zrele banane iz daljine (slatki i voćni) nasuprot izbliza (prepotentan i veštački).“
Ljudi imaju nekoliko miliona senzornih neurona u našim nosovima, a svaki od njih ima jednu vrstu receptora mirisa. Ukupno imamo oko 400 različitih tipova receptora sa preklapajućim osetljivošću. Svako hemijsko jedinjenje je poput različite cipele koju receptor isprobava. Neke cipele dobro pristaju, neke dobro, dok druge uopšte ne pristaju. Bolje uklapanje proizvodi jači odgovor receptora. Povećanje koncentracije mirisa regrutuje neurone sa receptorima koji su manje osetljivi na tu supstancu. Naš mozak koristi kombinaciju aktiviranih neurona da razlikuje mirise.
Naučnici su mislili da će neuroni efektivno dostići maksimum iznad određenih koncentracija mirisa, u kom trenutku bi njihova aktivnost bila na platou. Ali tim predvođen Luisovim diplomiranim studentom, Davidom Tadresom, otkrio je upravo suprotno: neuroni zapravo utihnu iznad određenog nivoa, a oni najosetljiviji ispadaju prvi.
Larve voćne mušice su idealan model za proučavanje mirisa. Imaju onoliko tipova mirisnih receptora koliko i senzornih neurona – naime, 21. Ova korespondencija jedan na jedan olakšava testiranje šta svaki neuron radi.
Za ovu studiju, Tadres je pregledao larve sa mutacijom koja je u potpunosti eliminisala njihov osećaj mirisa. Zatim je selektivno ponovo uključio to čulo u jednom senzornom neuronu, omogućavajući larvama da otkriju samo mirise koji su aktivirali taj specifični receptor. Stavio ih je pored izvora mirisa i posmatrao.
Čak i sa jednim funkcionalnim olfaktornim kanalom, larve bi i dalje mogle da se kreću ka jačem mirisu. Ali neverovatno, zaustavili su se na određenoj udaljenosti od izvora i samo ga kružili u fiksnoj orbiti. Tadres je ponovio eksperiment sa neuronom malo manje osetljivim na miris koji je testirao i otkrio da su se larve približile izvoru pre nego što su prestale.
Zbunjen takvim ponašanjem, Tadres je koristio elektrode za merenje aktivnosti senzornog neurona. Kao što se očekivalo, signalizacija se povećala kako je miris postao koncentrisaniji. Ali radije nego što je bila iznad određenog nivoa, aktivnost je pala na nulu. Zbog toga su mutantne larve kružile oko izvora mirisa; iznad određene koncentracije, miris je jednostavno nestao.
„Utišavanje olfaktornog senzornog neurona moglo bi lako da objasni ponašanje kruženja, koje je ranije bilo misteriozno“, rekao je Tadres. „Odatle nije bilo teško ekstrapolirati da je potrebno ažurirati trenutni pogled na to kako se mirisi kodiraju u različitim koncentracijama.“
Istraživači su znali da prekomerna stimulacija može da izazove da nervi utihnu, efekat koji se naziva „blok depolarizacije“. Međutim, konsenzus je bio da se ova vrsta preopterećenja ne dešava u prirodnim, zdravim uslovima. Zaista, ovaj odgovor je povezan sa problemima kao što je epilepsija kada se javlja u centralnom mozgu. Ali kada je Tadres primetio da to utiče na ponašanje larvi, posumnjao je da to nije samo artefakt eksperimenta.
Tadres i Louis počeli su da istražuju uzrok blokade depolarizacije. Za pomoć su se obratili profesoru Jeffu Moehlisu, predsedavajućem odseka za mašinstvo, i Louisovom studentu doktorskih studija Filipu Vongu (koji je savetovao Moehlis), koji su počeli da konstruišu matematički model sistema.
Napon na membrani neurona može se opisati sistemom jednačina. Ovaj model je bio revolucionarno otkriće 1952. godine i dobio je Nobelovu nagradu za svoje otkriće, Alana Hodžkina i Endrua Hakslija. Za ovu studiju slučaja, Vong je dodao matematički prikaz receptora mirisa, „okidača“ koji pokreće ostatak modela. Takođe je uključio modifikaciju iz oblasti istraživanja epilepsije u kojoj visoka stimulacija isključuje određene jonske kanale u ćelijskoj membrani, sprečavajući neuron da se aktivira.
Vongov model je bio u stanju da uklopi i predvidi Tadresova merenja električne aktivnosti neurona. „Ovo je bilo prilično korisno jer je bilo teško prikupiti elektrofiziološke podatke i analizirati ih je dugotrajno“, rekao je Vong.
Pored potvrđivanja eksperimentalnih rezultata, model vodi tim dok nastavljaju da istražuju ovaj efekat. „Ovaj model nam može reći tačno kako svaki neuron reaguje na različite mirise“, rekao je Vong.
Uspeh modela ukazuje na mogući izvor blokade depolarizacije: specifični jonski kanal prisutan u neuronima širom životinjskog carstva. Ako je tačno, ovo sugeriše da bi većina senzornih neurona mogla da utihne nakon jake i trajne stimulacije. Tim se nada da će potvrditi ovu hipotezu u predstojećoj studiji.
Štaviše, model je predvideo da će se sistem ponašati drugačije pri porastu od niskih koncentracija mirisa u odnosu na pad od visokih koncentracija. Merenje napona neurona larvi je to potvrdilo. Kada se spusti, neuron se nije ponovo aktivirao ispod praga gde je utihnuo. U stvari, uglavnom je ostao tih sve dok se koncentracija mirisa ne vrati na nulu pre nego što se vrati u normalnu aktivnost.
Ova studija je pokazala da visoke koncentracije mirisa mogu utišati najosetljivije receptore. Ovaj kontraintuitivni rezultat označava fundamentalni pomak u našem razumevanju mirisa. „Kako povećavate koncentraciju mirisa, počećete da regrutujete sve više i više mirisnih receptora koji nisu toliko osetljivi na to jedinjenje“, objasnio je Luis. „I tako, uobičajeno gledište do našeg rada bilo je da ste samo nastavili da dodajete aktivne receptore za mirise na sliku.“
Ovo ima smisla, sve dok ne razmotrite sistem kao celinu. Ako bi to bio slučaj, onda bi jedinjenje trebalo da aktivira skoro sve receptore iznad određenog nivoa. „Tako da bi bilo nemoguće da razlikujete dva različita mirisa u veoma visokim koncentracijama“, rekao je Tadres. „A to očigledno nije slučaj.
Ispadanje određenih senzornih neurona dok se drugi pridružuju može pomoći u očuvanju razlike između mirisa pri visokim koncentracijama. A ovo bi se moglo pokazati važnim za opstanak. Može sprečiti da otrovi i hranljive materije koje dele određena jedinjenja imaju sličan miris kada ih udahnete.
To takođe može imati posledice na to kako opažamo mirise. „Spekulišemo da je uklanjanje uzastopnih osetljivih olfaktornih senzornih neurona poput uklanjanja korena muzičkog akorda“, rekao je Luis. „Ovo izostavljanje korena će promeniti način na koji vaš mozak percipira akord povezan sa skupom nota. To će mu dati drugačije značenje.“
Suptilna cvetna nota sugeriše da bi voćnjak mogao da cveta u blizini, korisna informacija za gladnu životinju. U međuvremenu, ista jedinjenja u višim koncentracijama mogla bi da proizvedu oštru zrelost raspadajućeg voća ili čak otpadnih voda: nešto što je najbolje izbegavati. Studije poput ove otkrivaju sve više složenosti našeg čula mirisa, koje je evoluiralo da nam pomogne da se krećemo u jednako složenom hemijskom pejzažu.
