Lugtende i bittesmå huse:Hvordan ciliære elektriske strømme holder olfaktionen pålidelig

Forestil dig at prøve at finde ud af, hvordan noget fungerer, når noget foregår i et rum, der er mindre end en femtoliter:en kvadrillionith af en liter. Nu, to forskere med en næse til at løse mysterier har brugt en kombination af matematisk modellering, elektrofysiologi, og computersimuleringer til at forklare, hvordan celler kommunikerer effektivt i meget trange rum, såsom olfaktoriske cilier, hvor lugtregistrering finder sted. Resultaterne vil informere fremtidige undersøgelser af cellulær signalering og kommunikation i olfaktoriske systemet og også i andre lukkede rum i nervesystemet.

Undersøgelsesforfatter Johannes Reisert, Ph.d., en cellefysiolog fra Monell Center, kommentarer, "Ionkanaler og hvordan deres strømme ændrer ionkoncentrationer inde i celler er notorisk vanskelige at studere. Vores modelbaserede tilgang gør os i stand til bedre at forstå ikke kun hvordan olfaktion virker, men også funktionen af ​​små nerveender såsom dendritter, hvor patologi er forbundet med mange neurodegenerative sygdomme. "

I undersøgelsen, offentliggjort online forud for tryk i Procedurer fra National Academy of Sciences , forskerne spurgte, hvorfor olfaktoriske receptorceller kommunikerer med hjernen ved hjælp af en fundamentalt anderledes række elektriske hændelser, end sensoriske celler anvender i de visuelle eller auditive systemer.

Olfaction begynder, når, i en proces, der ligner en nøgle, der passer ind i en lås, et luftbåren kemisk molekyle bevæger sig gennem næseslimet for at binde sig til en olfaktorisk receptor indlejret på væggen af ​​en nervecelle i næsen. De olfaktoriske receptorer er placeret på cilia, aflange supertynde gevindlignende strukturer mindre end 0,000004 tommer i diameter, som strækker sig fra nervecellen ind i slimet.

Handlingen med lugtstof-receptorbinding starter en kompleks molekylær kaskade inde i olfaktorcellen, kendt som transduktion, hvilket resulterer i, at nerven sender et elektrisk signal for at informere hjernen om, at der er opdaget en lugt.

Transduktionsprocessen kulminerer med åbningen af ​​porer kaldet ionkanaler, placeret i nervecellens væg. De åbne porer gør det muligt for positive eller negative elektrisk ladede molekyler (ioner) at strømme ind og ud af cellen. Dette ændrer i sidste ende cellens samlede elektriske ladning til en mindre negativ tilstand, hvilket er det, der initierer cellens signal til hjernen.

De fleste ionkanaler er selektive for en bestemt ion, herunder positivt ladet natrium (Na ⁺ ) ioner eller negativt ladet chlorid (Cl ^- ). Strømmen af ​​en ion gennem dens kanal i begge retninger genererer en elektrisk strøm.

Receptorceller i både det visuelle og det auditive system er afhængige af indadgående positive ionstrømme for at fremkalde et elektrisk signal. I modsætning, olfaktoriske system er også afhængig af udadgående negative ionstrømme.

Ved at bruge flere metoder til at udvikle en testbar model for olfaktorisk transduktion og ionstrømme, Reisert og hans samarbejdspartner, beregnings -neurovidenskabsmand Jürgen Reingruber, Ph.d., fra Ecole Normale Supérieure i Paris, kunne forklare, hvorfor olfaktoriske systemer fungerer anderledes.

Forskerne demonstrerede, at man kunne stole på Cl ^- frem for Na ⁺ som en del af transduktionskaskaden giver flere fordele, der gør det muligt for olfaktoriske celler at reagere på lugt mere konsekvent.

En begrænsning, som olfaktoriske system står over for, er, at koncentrationerne af Na ⁺ og andre positive ioner i slimet uden for olfaktoriske celler varierer dramatisk som en funktion af næsens ydre miljø. Dette gør det svært for olfaktoriske celler at afhænge af eksternt oprindeligt Na ⁺ strømme som en pålidelig komponent i transduktionsresponset.

Olfaktoriske celler modvirker dette problem ved hjælp af en Cl ^- strøm, der stammer inde i cellen, hvor ionkoncentrationer er mere stabile, gør Cl ^- nuværende mere pålidelig generelt.

"Forestil dig, at du har svømmet i havet, og din næse er badet i saltvand. Det betyder, at der er meget mere natrium uden for lugtcellerne, men de skal kunne fungere pålideligt, uanset om du lige har svømmet i havet eller sidder i dit køkken, "sagde Reisert." Udskiftning af det eksternt fremstillede Na ⁺ strøm med Cl ^- ioner, der bevæger sig inde fra cellen til ydersiden, løser det problem. "

Modellerne viste også, at ved hjælp af den udadgående strømmende Cl ^- ionstrømme gør det muligt for olfaktoriske celler at beskytte ciliernes infinitesimale intracellulære rum, hvor olfaktorisk transduktion forekommer. Dette skyldes, at indadstrømmende positive ioner vil tilskynde ekstra vand til at komme ind i rummet, muligvis resultere i osmotisk hævelse og relateret strukturel skade på cilia.

Resultaterne forklarer, hvordan olfaktoriske systemet er i stand til at fungere pålideligt på trods af de udfordrende fysiske forhold i et ustabilt ydre miljø og det lille ciliære volumen. Et eksempel på den grundlæggende videnskabs kraftfulde værdi, denne modelleringsmetode kan nu bruges til at undersøge lignende spørgsmål i andre dele af nervesystemet.