Ένας κρυμμένος χάρτης στη μύτη μας μπορεί να εξηγήσει πώς λειτουργεί η όσφρηση

Η όσφρηση είναι υπερ-μυστηριώδης, δήλωσε ο Sandeep (Robert) Datta, καθηγητής νευροβιολογίας στο Ινστιτούτο Blavatnik της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ. Σε σύγκριση με την όραση, την ακοή και την αφή, η βασική βιολογία της όσφρησης παραμένει λιγότερο κατανοητή.

Επιστήμονες Δημιουργούν τον Πρώτο Λεπτομερή Χάρτη των Υποδοχέων Όσφρησης

Σε μια νέα μελέτη με ποντίκια, ο Datta και οι συνεργάτες του δημιούργησαν τον πρώτο λεπτομερή χάρτη που δείχνει πώς πάνω από χίλιοι τύποι υποδοχέων όσφρησης είναι διατεταγμένοι μέσα στη μύτη.

Αυτό που ανακάλυψαν αμφισβητεί παγιωμένες παραδοχές. Αντί να είναι τυχαία κατανεμημένοι, οι νευρώνες που φέρουν αυτούς τους υποδοχείς είναι εξαιρετικά οργανωμένοι. Σχηματίζουν οριζόντιες ζώνες, ή ραβδώσεις, που εκτείνονται από την κορυφή της μύτης έως το κάτω μέρος, ομαδοποιημένοι ανά τύπο υποδοχέα.

Τα αποτελέσματά μας φέρνουν τάξη σε ένα σύστημα που προηγουμένως θεωρήθηκε ότι στερείται τάξης, κάτι που αλλάζει εννοιολογικά τον τρόπο που πιστεύουμε ότι λειτουργεί, είπε ο Datta, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι αυτός ο χάρτης στη μύτη ευθυγραμμίζεται με αντίστοιχους χάρτες στο οσφρητικό βολβό του εγκεφάλου. Αυτή η σύνδεση προσφέρει νέα κατανόηση για το πώς τα οσφρητικά ερεθίσματα ταξιδεύουν από τη μύτη σε νευρωνικά κυκλώματα.

Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στις 28 Απριλίου στο Cell.

Η Μακρά Αναζήτηση ενός Χάρτη Όσφρησης

Οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει εδώ και πολύ καιρό πώς οι αισθητήριοι υποδοχείς είναι διατεταγμένοι στα μάτια, στα αυτιά και στο δέρμα, και πώς αυτά τα μοτίβα συνδέονται με τον εγκέφαλο. Η όσφρηση ήταν η εξαίρεση.

Η όσφρηση ήταν η μία εξαίρεση- είναι η αίσθηση που έλειπε ένας χάρτης για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, είπε ο Datta.

Ένας λόγος είναι η πολυπλοκότητα. Τα ποντίκια έχουν περίπου 20 εκατομμύρια οσφρητικούς νευρώνες, καθένας από τους οποίους εκφράζει έναν από τους πάνω από χίλιους τύπους υποδοχέων. Αντίθετα, η ανθρώπινη έγχρωμη όραση βασίζεται σε μόλις τρεις κύριους τύπους υποδοχέων. Κάθε υποδοχέας όσφρησης ανιχνεύει ένα συγκεκριμένο σύνολο μορίων οσμής, καθιστώντας το σύστημα πολύ πιο περίπλοκο.

Οι ερευνητές άρχισαν να αναγνωρίζουν τους υποδοχείς όσφρησης το 1991. Κατά τις επόμενες δεκαετίες, αναζήτησαν μοτίβα στον τρόπο διάταξης αυτών των υποδοχέων. Προηγούμενες μελέτες πρότειναν ότι οι υποδοχείς εμφανίζονταν σε λίγες μόνο ευρείες ζώνες, οδηγώντας στην ιδέα ότι η τοποθέτησή τους ήταν κατά κύριο λόγο τυχαία.

Καθώς διατέθηκαν νέα γενετικά εργαλεία, η ομάδα του Datta επανεξέτασε το ερώτημα με πιο ισχυρές μεθόδους.

Ένα Κρυφό Μοτίβο Αποκαλύφθηκε σε Εκατομμύρια Νευρώνες

Η ομάδα ανέλυσε περίπου 5,5 εκατομμύρια νευρώνες σε πάνω από 300 ποντίκια. Συνδύασαν την αλληλούχιση μονοκυτταρικού επιπέδου, η οποία αναγνωρίζει ποιους υποδοχείς εκφράζει κάθε νευρώνας, με την χωρική μεταγραφομική, η οποία προσδιορίζει πού βρίσκονται αυτοί οι νευρώνες.

Αυτό είναι πλέον αναμφισβήτητα ο πιο αλληλουχημένος νευρικός ιστός που υπήρξε ποτέ, αλλά χρειαζόμασταν τέτοια κλίμακα δεδομένων για να κατανοήσουμε το σύστημα, είπε ο Datta.

Τα αποτελέσματά τους αποκάλυψαν ένα σαφές και συνεπές μοτίβο. Οι νευρώνες σχηματίζουν στενά οργανωμένες, επικαλυπτόμενες οριζόντιες ραβδώσεις βασισμένες στον υποδοχέα που φέρουν. Αυτή η διάταξη ήταν σχεδόν πανομοιότυπη σε όλα τα ζώα που μελετήθηκαν και ταίριαζε στενά με τον τρόπο χαρτογράφησης των οσφρητικών πληροφοριών στον εγκέφαλο.

Πώς Σχηματίζεται ο Χάρτης της Όσφρησης

Οι ερευνητές διερεύνησαν επίσης πώς αναπτύσσεται αυτή η ακριβής δομή. Προσδιόρισαν το ρετινοϊκό οξύ, ένα μόριο που ρυθμίζει τη γονιδιακή δραστηριότητα, ως βασικό παράγοντα.

Μια κλίση ρετινοϊκού οξέος στη μύτη φαίνεται να καθοδηγεί τους νευρώνες, βοηθώντας τον καθένα να ενεργοποιήσει τον σωστό υποδοχέα όσφρησης ανάλογα με τη θέση του. Όταν οι ερευνητές άλλαξαν τα επίπεδα αυτού του μορίου, ολόκληρος ο χάρτης των υποδοχέων μετατοπίστηκε προς τα πάνω ή προς τα κάτω.

Δείχνουμε ότι η ανάπτυξη μπορεί να επιτύχει αυτό το κατόρθωμα της οργάνωσης χιλίων διαφορετικών υποδοχέων όσφρησης σε έναν απίστευτα ακριβή χάρτη που είναι συνεπής σε όλα τα ζώα, είπε ο Datta.

Μια ξεχωριστή μελέτη που διεξήχθη από το εργαστήριο της Catherine Dulac, Καθηγήτριας στο Τμήμα Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, και δημοσιεύτηκε στο ίδιο τεύχος του Cell, είχε συνεπή ευρήματα.

Τι Σημαίνει Αυτό για τη Θεραπεία της Απώλειας Όσφρησης

Πέρα από την προώθηση της βασικής επιστήμης, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει πρακτικό αντίκτυπο. Η απώλεια όσφρησης επί του παρόντος έχει λίγες αποτελεσματικές θεραπείες, παρόλο που μπορεί να επηρεάσει την ασφάλεια, τη διατροφή και την ψυχική υγεία.

Δεν μπορούμε να διορθώσουμε την όσφρηση χωρίς να καταλάβουμε πώς λειτουργεί σε βασικό επίπεδο, είπε ο Datta.

Η ομάδα εργάζεται τώρα για να κατανοήσει γιατί οι ραβδώσεις των υποδοχέων εμφανίζονται με τη συγκεκριμένη σειρά τους και αν η ίδια οργάνωση υπάρχει στους ανθρώπους. Αυτή η γνώση θα μπορούσε να καθοδηγήσει νέες προσεγγίσεις, συμπεριλαμβανομένων θεραπειών με βλαστοκύτταρα ή εγκεφαλικών-υπολογιστικών διεπαφών, που στοχεύουν στην αποκατάσταση της αίσθησης της όσφρησης.

Η όσφρηση έχει έναν πραγματικά βαθύ και διάχυτο αντίκτυπο στην ανθρώπινη υγεία, οπότε η αποκατάστασή της δεν είναι μόνο για ευχαρίστηση και ασφάλεια, αλλά και για ψυχολογική ευημερία, είπε ο Datta. Χωρίς να κατανοήσουμε αυτόν τον χάρτη, είμαστε καταδικασμένοι να αποτύχουμε στην ανάπτυξη νέων θεραπειών.

Συγγραφείς, Χρηματοδότηση, Αποκαλύψεις

Επιπρόσθετοι συγγραφείς της δημοσίευσης περιλαμβάνουν τους David Brann, Tatsuya Tsukahara, Cyrus Tau, Dennis Kalloor, Rylin Lubash, Lakshanyaa Kannan, Nell Klimpert, Mihaly Kollo, Martin Escamilla-Del-Arenal, Bogdan Bintu, Andreas Schaefer, Alexander Fleischmann, και Thomas Bozza.

Η χρηματοδότηση για την έρευνα παρασχέθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (επιχορηγήσεις R01DC021669, R01DC021422, R01DC021965, και F31DC019017), το Yang Tan Collective στο Χάρβαρντ, και μια Υποτροφία Μεταπτυχιακής Έρευνας του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών.