Oavsett om det är den viftande doften från vår favoritmåltid eller de farliga ångorna som sipprar från en giftig kemikalie, har människans luktsinne utvecklats till ett sofistikerat system som bearbetar dofter genom flera intrikata steg. Hjärnan hos däggdjur har miljarder neuroner till sitt förfogande för att känna igen lukter de utsätts för, från behagliga till stickande.
Insekter som fruktflugor har å andra sidan bara 100 000 neuroner att arbeta med. Ändå är deras överlevnad beroende av deras förmåga att dechiffrera innebörden av komplexa luktblandningar runt dem för att lokalisera mat, söka potentiella kompisar och undvika rovdjur. Forskare har funderat över hur insekter kan lukta, eller extrahera information från lukter, med ett mycket mindre luktsensorsystem jämfört med däggdjur.
Forskare vid University of California San Diego tror att de har ett svar på denna förbryllande fråga. Palka Puri, en fysik Ph.D. student, tillsammans med postdoktor Shiuan-Tze Wu, docent Chih-Ying Su och biträdande professor Johnatan Aljadeff (alla vid institutionen för neurobiologi) har avslöjat hur fruktflugor använder ett enkelt, effektivt system för att känna igen lukter.
"Vårt arbete kastar ljus över de sensoriska bearbetningsalgoritmerna som insekter använder för att svara på komplexa luktstimuli", säger Puri, den första författaren till artikeln, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Vi visade att den specialiserade organisationen av insekts sensoriska neuroner har nyckeln till pusslet - att implementera ett viktigt bearbetningssteg som underlättar beräkningar i den centrala hjärnan."
Tidigare undersökningar av luktbehandlingssystemet hos flugor fokuserade på den centrala hjärnan som det huvudsakliga navet för behandling av luktsignaler. Men den nya studien visar att effektiviteten hos insektens sensoriska förmågor beror på ett "förbearbetningssteg" i periferin av deras sensoriska system, som förbereder luktsignalerna för beräkningar som inträffar senare i den centrala hjärnregionen.
Flugor luktar genom sina antenner, som är fulla av känselhår som upptäcker delar av miljön runt dem. Varje sensoriskt hårstrå har vanligtvis två luktreceptorneuroner, eller ORNs, som aktiveras av olika luktmolekyler i miljön. Spännande nog är ORN i samma sensoriska hår starkt kopplade av elektriska interaktioner.
"Detta scenario liknar två strömförande ledningar placerade nära varandra," förklarade Puri. "Signalerna som bärs av ledningarna interfererar med varandra genom elektromagnetiska interaktioner."
När det gäller flugluktsystemet är dock denna störning fördelaktig. Forskarna visade att när flugor stöter på en luktsignal, hjälper det specifika mönstret av interferens mellan receptorerna att flugor snabbt kan beräkna "kärnan" av luktens betydelse:"Är det bra eller dåligt för mig?" Resultatet av denna preliminära utvärdering i periferin vidarebefordras sedan till en specifik region i flugans centrala hjärna, där informationen om lukter som finns i omvärlden översätts till ett beteendemässigt svar.
Forskarna konstruerade en matematisk modell av hur luktsignaler bearbetas genom elektrisk koppling mellan ORN. De analyserade sedan kopplingsschemat ("connectome") för flughjärnan, en storskalig datauppsättning genererad av forskare och ingenjörer vid Howard Hughes Medical Institutes forskningscampus. Detta gjorde det möjligt för Puri, Aljadeff och deras kollegor att spåra hur luktsignaler från den sensoriska periferin är integrerade i den centrala hjärnan.
"Anmärkningsvärt nog visar vårt arbete att den optimala luktblandningen - det exakta förhållandet som varje sensoriskt hår är mest känsligt för - definieras av den genetiskt förutbestämda storleksskillnaden mellan de kopplade luktneuronerna", säger Aljadeff, en fakultetsmedlem vid School of Biological Vetenskaper. "Vårt arbete belyser den långtgående algoritmiska rollen för sensorisk periferi för bearbetning av både medfödda meningsfulla och inlärda lukter i den centrala hjärnan."
Aljadeff beskriver systemet med en visuell analogi. Som en specialiserad kamera som kan upptäcka specifika typer av bilder har flugan utvecklat en genetiskt driven metod för att skilja mellan bilder, eller i det här fallet blandningar av lukter.
"Vi upptäckte att flughjärnan har ledningar för att läsa bilderna från denna mycket speciella kamera för att sedan initiera beteende," sa han.
För att komma fram till dessa resultat integrerades forskningen med tidigare fynd från Sus labb som beskrev den konserverade organisationen av ORN i flugluktsystemet till sensoriska hårstrån. Det faktum att signaler som bärs av samma luktmolekyler alltid interfererar med varandra, i varje fluga, antydde för forskarna att denna organisation har betydelse.
"Denna analys visar hur nervceller i högre hjärncentra kan dra fördel av balanserad beräkning i periferin," sa Su. "Vad som verkligen för det här arbetet till en annan nivå är hur mycket denna perifera förbearbetning kan påverka högre hjärnfunktion och kretsoperationer."
Detta arbete kan inspirera till forskning om rollen av bearbetning i perifera organ i andra betydelser, såsom syn eller hörsel, och bidra till att bilda en grund för att designa kompakta detektionsenheter med förmågan att tolka komplexa data.
"Dessa resultat ger insikt i de grundläggande principerna för komplexa sensoriska beräkningar inom biologi, och öppnar dörrar för framtida forskning om att använda dessa principer för att designa kraftfulla konstruerade system", säger Puri.
Mer information: Palka Puri et al, Perifer förbehandling i Drosophila underlättar luktklassificering, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316799121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of California - San Diego
