Immagina di provare a capire come funziona qualcosa quando quel qualcosa avviene in uno spazio più piccolo di un femtolitro:un quadrilionesimo di litro. Ora, due scienziati con il fiuto per risolvere i misteri hanno usato una combinazione di modelli matematici, elettrofisiologia, e simulazioni al computer per spiegare come le cellule comunicano efficacemente in spazi altamente ristretti come le ciglia olfattive, dove avviene il rilevamento degli odori. I risultati informeranno studi futuri sulla segnalazione e sulla comunicazione cellulare nel sistema olfattivo e anche in altri spazi ristretti del sistema nervoso.

Autore dello studio Johannes Reisert, dottorato di ricerca, un fisiologo cellulare del Monell Center, Commenti, "I canali ionici e il modo in cui le loro correnti cambiano le concentrazioni di ioni all'interno delle cellule sono notoriamente difficili da studiare. Il nostro approccio basato su modelli ci consente di comprendere meglio non solo come funziona l'olfatto, ma anche la funzione di piccole terminazioni nervose come i dendriti, dove la patologia è associata a molte malattie neurodegenerative."

Nello studio, pubblicato online prima della stampa nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , gli scienziati hanno chiesto perché le cellule dei recettori olfattivi comunicano con il cervello utilizzando una serie di eventi elettrici fondamentalmente diversa da quella utilizzata dalle cellule sensoriali nei sistemi visivo o uditivo.

L'olfatto inizia quando, in un processo simile a una chiave che si inserisce in una serratura, una molecola chimica trasportata dall'aria viaggia attraverso il muco nasale per legarsi a un recettore olfattivo incorporato nella parete di una cellula nervosa all'interno del naso. I recettori olfattivi si trovano sulle ciglia, strutture filiformi supersottili allungate di diametro inferiore a 0.000004 pollici, che si estendono dalla cellula nervosa nel muco.

L'atto del legame olfattivo-recettore avvia una complessa cascata molecolare all'interno della cellula olfattiva, noto come trasduzione, che fa sì che il nervo invii un segnale elettrico per informare il cervello che è stato rilevato un odore.

Il processo di trasduzione culmina con l'apertura di pori chiamati canali ionici, situato nella parete della cellula nervosa. I pori aperti consentono alle molecole (ioni) caricate elettricamente positive o negative di fluire dentro e fuori dalla cellula. Questo alla fine cambia la carica elettrica complessiva della cellula in uno stato meno negativo, che è ciò che avvia il segnale della cellula al cervello.

La maggior parte dei canali ionici sono selettivi per uno specifico ione, compreso il sodio caricato positivamente (Na ⁺ ) ioni o cloruro caricato negativamente (Cl ^- ). Il flusso di uno ione attraverso il suo canale in entrambe le direzioni genera una corrente elettrica.

Le cellule del recettore sia nel sistema visivo che in quello uditivo dipendono da correnti ioniche positive che fluiscono verso l'interno per suscitare un segnale elettrico. In contrasto, il sistema olfattivo si basa anche su correnti di ioni negativi che fluiscono verso l'esterno.

Utilizzando molteplici approcci per sviluppare un modello verificabile di trasduzione olfattiva e correnti ioniche, Reisert e il suo collaboratore, neuroscienziato computazionale Jürgen Reingruber, dottorato di ricerca, dell'Ecole Normale Supérieure di Parigi, sono stati in grado di spiegare perché il sistema olfattivo funziona in modo diverso.

I ricercatori hanno dimostrato che affidandosi a Cl ^- piuttosto che Na ⁺ come parte della cascata di trasduzione offre diversi vantaggi che consentono alle cellule olfattive di rispondere agli odori in modo più coerente.

Un vincolo affrontato dal sistema olfattivo è che le concentrazioni di Na ⁺ e altri ioni positivi nel muco al di fuori delle cellule olfattive variano notevolmente in funzione dell'ambiente esterno del naso. Ciò rende difficile per le cellule olfattive dipendere da Na . di origine esterna ⁺ correnti come un componente affidabile della risposta di trasduzione.

Le cellule olfattive contrastano questo problema utilizzando un Cl ^- corrente che si origina all'interno della cellula, dove le concentrazioni di ioni sono più stabili, facendo il Cl ^- corrente più affidabile nel complesso.

"Immagina di aver nuotato nell'oceano e il tuo naso è immerso in acqua salata. Ciò significa che c'è molto più sodio al di fuori delle cellule olfattive, ma devono essere in grado di funzionare in modo affidabile sia che tu abbia appena nuotato nell'oceano o sia seduto in cucina, " ha detto Reisert. "Sostituendo il Na . originario dell'esterno ⁺ corrente con Cl ^- ioni che si spostano dall'interno della cellula verso l'esterno risolve questo problema."

I modelli hanno anche mostrato che usando il Cl . che scorre verso l'esterno ^- le correnti ioniche consentono alle cellule olfattive di proteggere lo spazio intracellulare infinitesimale delle ciglia, che è dove avviene la trasduzione olfattiva. Questo perché gli ioni positivi che fluiscono verso l'interno incoraggerebbero l'acqua in più a entrare nello spazio, potenzialmente con conseguente gonfiore osmotico e relativo danno strutturale alle ciglia.

I risultati spiegano come il sistema olfattivo sia in grado di funzionare in modo affidabile nonostante le difficili condizioni fisiche di un ambiente esterno instabile e il piccolo volume ciliare. Un esempio del potente valore della scienza di base, questo approccio di modellazione può ora essere utilizzato per indagare questioni simili in altre parti del sistema nervoso.