Föreställ dig att försöka lista ut hur något fungerar när något utspelar sig i ett utrymme som är mindre än en femtoliter:en kvadrillionit av en liter. Nu, två forskare med en näsa för att lösa mysterier har använt en kombination av matematisk modellering, elektrofysiologi, och datorsimuleringar för att förklara hur celler kommunicerar effektivt i mycket trånga utrymmen som olfaktoriska flimmerhår, där luktdetektering sker. Fynden kommer att informera framtida studier av cellulär signalering och kommunikation i luktsystemet och även i andra begränsade utrymmen i nervsystemet.

Studieförfattaren Johannes Reisert, Ph.D., en cellfysiolog från Monell Center, kommentarer, "Jonkanaler och hur deras strömmar ändrar jonkoncentrationer inuti celler är notoriskt svåra att studera. Vårt modelleringsbaserade tillvägagångssätt gör det möjligt för oss att bättre förstå inte bara hur lukt fungerar, men också funktionen av små nervändar som dendriter, där patologi är associerad med många neurodegenerativa sjukdomar."

I studien, publiceras online före tryckning i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskarna frågade varför luktreceptorceller kommunicerar med hjärnan genom att använda en fundamentalt annorlunda serie av elektriska händelser än som används av sensoriska celler i visuella eller auditiva system.

Doft börjar när, i en process som liknar en nyckel som passar in i ett lås, en luftburen kemisk molekyl färdas genom nässlemmet för att binda till en luktreceptor inbäddad på väggen av en nervcell i näsan. Luktreceptorerna finns på flimmerhåren, långsträckta supertunna trådliknande strukturer mindre än 0,000004 tum i diameter, som sträcker sig från nervcellen in i slemmet.

Akten av luktämne-receptorbindning initierar en komplex molekylär kaskad inuti luktcellen, känd som transduktion, vilket resulterar i att nerven skickar en elektrisk signal för att informera hjärnan om att en lukt har upptäckts.

Transduktionsprocessen kulminerar med öppnandet av porer som kallas jonkanaler, ligger i nervcellens vägg. De öppna porerna gör att positiva eller negativa elektriskt laddade molekyler (joner) kan flöda in och ut ur cellen. Detta ändrar i slutändan cellens totala elektriska laddning till ett mindre negativt tillstånd, vilket är det som initierar cellens signal till hjärnan.

De flesta jonkanaler är selektiva för en specifik jon, inklusive positivt laddat natrium (Na ⁺ ) joner eller negativt laddad klorid (Cl ^- ). Flödet av en jon genom dess kanal i båda riktningarna genererar en elektrisk ström.

Receptorceller i både visuella och auditiva system är beroende av inåtströmmande positiva jonströmmar för att framkalla en elektrisk signal. I kontrast, luktsystemet är också beroende av utåtströmmar negativa jonströmmar.

Genom att använda flera metoder för att utveckla en testbar modell av lukttransduktion och jonströmmar, Reisert och hans medarbetare, beräkningsneuroforskaren Jürgen Reingruber, Ph.D., från Ecole Normale Supérieure i Paris, kunde förklara varför luktsystemet fungerar annorlunda.

Forskarna visade att att förlita sig på Cl ^- snarare än Na ⁺ som en del av transduktionskaskaden ger flera fördelar som gör det möjligt för luktceller att svara på lukter mer konsekvent.

En begränsning som luktsystemet möter är att koncentrationerna av Na ⁺ och andra positiva joner i slemmet utanför luktcellerna varierar dramatiskt som en funktion av näsans yttre miljö. Detta gör det svårt för luktceller att vara beroende av externt ursprungligt Na ⁺ strömmar som en pålitlig komponent i transduktionssvaret.

Luktcellerna motverkar detta problem genom att använda en Cl ^- ström som har sitt ursprung i cellen, där jonkoncentrationerna är mer stabila, gör Cl ^- nuvarande mer pålitlig överlag.

"Föreställ dig att du har simmat i havet och din näsa är badad i saltvatten. Det betyder att det finns mycket mer natrium utanför luktcellerna, men de måste kunna fungera tillförlitligt oavsett om du precis har simmat i havet eller sitter i ditt kök, ", sa Reisert. "Ersätter det externt härrörande Na ⁺ ström med Cl ^- joner som rör sig från insidan av cellen till utsidan löser det problemet."

Modellerna visade också att med den utåtströmmande Cl ^- jonströmmar gör det möjligt för luktcellerna att skydda det oändliga intracellulära utrymmet i flimmerhåren, det är där lukttransduktion sker. Detta beror på att inåtströmmande positiva joner skulle uppmuntra extra vatten att komma in i utrymmet, potentiellt resultera i osmotisk svullnad och relaterad strukturell skada på flimmerhåren.

Fynden förklarar hur luktsystemet kan fungera pålitligt trots de utmanande fysiska förhållandena i en instabil yttre miljö och den lilla ciliära volymen. Ett exempel på grundvetenskapens kraftfulla värde, denna modelleringsmetod kan nu användas för att undersöka liknande frågor i andra delar av nervsystemet.