Stel je voor dat je probeert uit te vinden hoe iets werkt als dat iets plaatsvindt in een ruimte die kleiner is dan een femtoliter:een quadriljoenste van een liter. Nutsvoorzieningen, twee wetenschappers met een neus voor het oplossen van mysteries hebben een combinatie van wiskundige modellering gebruikt, elektrofysiologie, en computersimulaties om uit te leggen hoe cellen effectief communiceren in sterk vernauwde ruimtes zoals de olfactorische trilharen, waar geurdetectie plaatsvindt. De bevindingen zullen toekomstige studies van cellulaire signalering en communicatie in het olfactorische systeem en ook in andere besloten ruimtes van het zenuwstelsel informeren.

Studie auteur Johannes Reisert, doctoraat, een Monell Center celfysioloog, opmerkingen, "Ionenkanalen en hoe hun stromen de ionenconcentraties in cellen veranderen, zijn notoir moeilijk te bestuderen. Onze op modellen gebaseerde benadering stelt ons in staat om niet alleen beter te begrijpen hoe reukzin werkt, maar ook de functie van kleine zenuwuiteinden zoals dendrieten, waar pathologie wordt geassocieerd met veel neurodegeneratieve ziekten."

In de studie, voorafgaand aan de druk online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de wetenschappers vroegen waarom reukreceptorcellen met de hersenen communiceren via een fundamenteel andere reeks elektrische gebeurtenissen dan die worden gebruikt door sensorische cellen in het visuele of auditieve systeem.

Reukzin begint wanneer, in een proces vergelijkbaar met een sleutel die in een slot past, een chemisch molecuul in de lucht reist door het neusslijm om zich te binden aan een olfactorische receptor die is ingebed in de wand van een zenuwcel in de neus. De reukreceptoren bevinden zich op de trilharen, langwerpige superdunne draadachtige structuren met een diameter van minder dan 0.000004 inch, die zich uitstrekken van de zenuwcel tot in het slijmvlies.

De handeling van geur-receptorbinding initieert een complexe moleculaire cascade in de reukcel, bekend als transductie, waardoor de zenuw een elektrisch signaal stuurt om de hersenen te informeren dat een geur is gedetecteerd.

Het transductieproces culmineert in het openen van poriën die ionkanalen worden genoemd, gelegen in de wand van de zenuwcel. De open poriën zorgen ervoor dat positieve of negatieve elektrisch geladen moleculen (ionen) de cel in en uit kunnen stromen. Dit verandert uiteindelijk de totale elektrische lading van de cel in een minder negatieve toestand, dat is wat het signaal van de cel naar de hersenen initieert.

De meeste ionkanalen zijn selectief voor een specifiek ion, inclusief positief geladen natrium (Na ⁺ ) ionen of negatief geladen chloride (Cl ^- ). De stroom van een ion door zijn kanaal in beide richtingen genereert een elektrische stroom.

Receptorcellen in zowel het visuele als het auditieve systeem zijn afhankelijk van naar binnen stromende positieve ionenstromen om een ​​elektrisch signaal op te wekken. In tegenstelling tot, het olfactorische systeem is ook afhankelijk van naar buiten stromende negatieve ionenstromen.

Door meerdere benaderingen te gebruiken om een ​​testbaar model van olfactorische transductie en ionenstromen te ontwikkelen, Reisert en zijn medewerker, computationeel neurowetenschapper Jürgen Reingruber, doctoraat, van de Ecole Normale Supérieure in Parijs, konden verklaren waarom het olfactorische systeem anders functioneert.

De onderzoekers toonden aan dat vertrouwen op Cl ^- in plaats van Na ⁺ als onderdeel van de transductiecascade biedt verschillende voordelen waardoor reukcellen consistenter op geuren kunnen reageren.

Een beperking waarmee het olfactorische systeem wordt geconfronteerd, is dat de concentraties van Na ⁺ en andere positieve ionen in het slijm buiten de reukcellen variëren sterk als functie van de externe omgeving van de neus. Dit maakt het moeilijk voor reukcellen om afhankelijk te zijn van extern afkomstig Na ⁺ stromen als een betrouwbaar onderdeel van de transductierespons.

De reukcellen gaan dit probleem tegen door een Cl ^- stroom die in de cel ontstaat, waar ionenconcentraties stabieler zijn, de Cl . maken ^- stroom betrouwbaarder in het algemeen.

"Stel je voor dat je in de oceaan hebt gezwommen en je neus baadt in zout water. Dat betekent dat er veel meer natrium is buiten de reukcellen, maar ze moeten betrouwbaar kunnen functioneren, of je nu net in de oceaan hebt gezwommen of in je keuken zit, " zei Reisert. "Het vervangen van de van buitenaf afkomstige Na ⁺ stroom met Cl ^- ionen die van binnen de cel naar buiten gaan, lost dat probleem op."

De modellen toonden ook aan dat het gebruik van de naar buiten stromende Cl ^- ionenstromen stellen de reukcellen in staat om de oneindig kleine intracellulaire ruimte van de trilharen te beschermen, dat is waar olfactorische transductie plaatsvindt. Dit komt omdat naar binnen stromende positieve ionen extra water zouden aanmoedigen om de ruimte binnen te gaan, mogelijk resulterend in osmotische zwelling en gerelateerde structurele schade aan de trilharen.

De bevindingen verklaren hoe het olfactorische systeem betrouwbaar kan functioneren ondanks de uitdagende fysieke omstandigheden van een onstabiele externe omgeving en het kleine ciliaire volume. Een voorbeeld van de krachtige waarde van fundamentele wetenschap, deze modelleringsaanpak kan nu worden gebruikt om soortgelijke vragen in andere delen van het zenuwstelsel te onderzoeken.