Gli insetti come i moscerini della frutta, invece, hanno solo 100.000 neuroni con cui lavorare. Tuttavia, la loro sopravvivenza dipende dalla loro capacità di decifrare il significato delle complesse miscele di odori che li circondano per localizzare il cibo, cercare potenziali compagni ed evitare i predatori. Gli scienziati hanno riflettuto su come gli insetti siano in grado di annusare o estrarre informazioni dagli odori, con un sistema sensoriale olfattivo molto più piccolo rispetto ai mammiferi.

Gli scienziati dell’Università della California a San Diego credono di avere una risposta a questa domanda sconcertante. Palka Puri, un dottorato di ricerca in fisica. Lo studente, insieme allo studioso post-dottorato Shiuan-Tze Wu, al professore associato Chih-Ying Su e al professore assistente Johnatan Aljadeff (tutti del Dipartimento di Neurobiologia) hanno scoperto come i moscerini della frutta utilizzano un sistema semplice ed efficiente per riconoscere gli odori.

"Il nostro lavoro fa luce sugli algoritmi di elaborazione sensoriale utilizzati dagli insetti per rispondere a stimoli olfattivi complessi", ha affermato Puri, il primo autore dell'articolo, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences . "Abbiamo dimostrato che l'organizzazione specializzata dei neuroni sensoriali degli insetti contiene la chiave del puzzle, implementando una fase di elaborazione essenziale che facilita i calcoli nel cervello centrale."

Precedenti studi sul sistema di elaborazione degli odori nelle mosche si erano concentrati sul cervello centrale come hub principale per l’elaborazione dei segnali degli odori. Ma il nuovo studio mostra che l'efficacia delle capacità sensoriali degli insetti si basa su una fase di "pre-elaborazione" nella periferia del loro sistema sensoriale, che prepara i segnali olfattivi per i calcoli che si verificano successivamente nella regione centrale del cervello.

Le mosche odorano attraverso le loro antenne, che sono piene di peli sensoriali che rilevano gli elementi dell'ambiente che li circonda. Ogni pelo sensoriale di solito presenta due neuroni recettori olfattivi, o ORN, che vengono attivati ​​da diverse molecole di odore nell’ambiente. Curiosamente, gli ORN negli stessi capelli sensoriali sono fortemente accoppiati tramite interazioni elettriche.

"Questo scenario è simile a due fili percorsi da corrente posizionati vicini tra loro", ha spiegato Puri. "I segnali trasportati dai fili interferiscono tra loro attraverso interazioni elettromagnetiche."

Nel caso del sistema olfattivo della mosca, tuttavia, questa interferenza è benefica. I ricercatori hanno dimostrato che quando le mosche incontrano un segnale olfattivo, il modello specifico di interferenza tra i recettori aiuta le mosche a calcolare rapidamente l'essenza del significato dell'odore:"Mi fa bene o male?" Il risultato di questa valutazione preliminare nella periferia viene poi trasmesso a una regione specifica nel cervello centrale della mosca, dove le informazioni sugli odori presenti nel mondo esterno vengono tradotte in una risposta comportamentale.

I ricercatori hanno costruito un modello matematico di come i segnali olfattivi vengono elaborati mediante accoppiamento elettrico tra ORN. Hanno poi analizzato lo schema elettrico ("connettoma") del cervello della mosca, un set di dati su larga scala generato da scienziati e ingegneri presso il campus di ricerca dell'Howard Hughes Medical Institute. Ciò ha permesso a Puri, Aljadeff e ai loro colleghi di tracciare il modo in cui i segnali olfattivi provenienti dalla periferia sensoriale sono integrati nel cervello centrale.

"Sorprendentemente, il nostro lavoro mostra che la miscela olfattiva ottimale - il rapporto preciso al quale ciascun capello sensoriale è più sensibile - è definita dalla differenza di dimensione geneticamente predeterminata tra i neuroni olfattivi accoppiati," ha detto Aljadeff, membro della facoltà della School of Biological Scienze. "Il nostro lavoro evidenzia il ruolo algoritmico di vasta portata della periferia sensoriale per l'elaborazione degli odori sia intrinsecamente significativi che appresi nel cervello centrale."

Aljadeff descrive il sistema con un'analogia visiva. Come una fotocamera specializzata in grado di rilevare tipi specifici di immagini, la mosca ha sviluppato un metodo geneticamente guidato per distinguere tra immagini o, in questo caso, miscele di odori.

"Abbiamo scoperto che il cervello della mosca ha il cablaggio per leggere le immagini di questa fotocamera molto speciale e quindi avviare il comportamento", ha detto.

Per arrivare a questi risultati, la ricerca è stata integrata con i risultati precedenti del laboratorio di Su che descrivevano l'organizzazione conservata degli ORN nel sistema olfattivo della mosca in peli sensoriali. Il fatto che i segnali trasportati dalle stesse molecole odorose interferiscano sempre tra loro, in ogni mosca, ha suggerito ai ricercatori che questa organizzazione ha un significato.

"Questa analisi mostra come i neuroni nei centri cerebrali superiori possono trarre vantaggio dal calcolo equilibrato nella periferia", ha detto Su. "Ciò che porta davvero questo lavoro a un altro livello è quanto questa pre-elaborazione periferica possa influenzare le funzioni cerebrali superiori e le operazioni dei circuiti."

Questo lavoro potrebbe ispirare la ricerca sul ruolo dell'elaborazione negli organi periferici in altri sensi, come la vista o l'udito, e contribuire a gettare le basi per la progettazione di dispositivi di rilevamento compatti con la capacità di interpretare dati complessi.

"Questi risultati forniscono informazioni sui principi fondamentali dei calcoli sensoriali complessi in biologia e aprono le porte alla ricerca futura sull'utilizzo di questi principi per progettare potenti sistemi ingegnerizzati", ha affermato Puri.