Luktesans krever en optimalisert, skalerbar nettverkskrets
Evolution News; August 27, 2019
Bilde 1. Nettverk for luktsystemet; kilde: Living Waters, via Illustra Media.
Evnen til å oppdage og svare på molekyler i luften - luktesansen - er en av de mest sammensatte av sansene våre. Den krever sortering, analyse og prioritering av en strøm av inndata raskt. Hvis du så animasjonen "A Pacific Salmon's Sense of smell" fra Illustra Medias dokumentar Living Waters -her, fikk du en følelse av kompleksiteten i nevrale ledninger og organer som behandler inputene. Her ser vi på nye funn om hva som skal til for å drive en luktfunksjon.
Bilde 2. Kvantifisering av hvordan hjernen kan sense lukt
Hva som er kjent
På Cold Spring Harbor Laboratory har vinnere av en NIH-pris for innovativ nevrovitenskapelig forskning laget modeller for luktesans. Hos Medical Xpress -her; forklarer de hva som er kjent om luktesansen:
--Generelt vet forskere at luktpartikler først kommer inn gjennom nesehulen, der luktreseptorer uttrykt av luktreseptor-nevroner i sansevevet binder seg til dem. Lukt-organet, en struktur som ligger i forhjernen til pattedyr, behandler deretter informasjon sendt fra reseptorene. Etterpå sender luktorganet denne informasjonen til flere høyere prosesserings hjernearealer, inkludert hjernebarken. Der blir lukt-utgangsmeldingene analysert og sendt videre over hjernen før de blir ført tilbake til luktorganet i en tilbakemeldingssløyfe. [Uthevelse og kursiv lagt til.]
Bilde 3. Oversikt over menneskets luktsystem
Hva er ikke kjent
Det samme forskerteamet fant nylig at "det er sannsynlig at inngangsnivået til luktemengde-innganger og de videre bearbeidede luktorgan-utgangene bryr seg om forskjellige aspekter av lukt." Tidligere modeller, sier de, har ikke bestått ytterligere testing. For eksempel burde kombinasjon av luktstoffer forutsi nevrale responser, men de gjør ofte ikke det.
--Når det gjelder lukt, "vet vi ikke helt hva hjernen ser etter, og vi vet ikke hvilke fysiske eller kjemiske funksjoner, om noen, som hjernen ekstraherer," sa Albeanu.
Deres nyeste artikkel i Current Biology -her, 'Scaling Principles of Distribuerte kretser', høres mer ut som en tittel om informatikk enn fysiologi, men det gjelder først og fremst problemet med å modellere luktesans som en signalbehandlings-krets. De fant matematiske sammenhenger mellom de innkommende nevrale signalene og nerve-endene/blodkarene (glomeruli) som mottar dem, og utledet at evnen til å diskriminere lukt tilsvarer kretsstørrelsen. Systemet gir skalerbarhet til luktesystemet på tvers av arter: jo flere innkommende nevroner, jo flere mottagende enheter (glomeruli) er det for å behandle input dataene.
Denne skalerbarheten, som følger en kraftlov, gjør det også mulig å opprettholde presisjonen av signalet i et trinn gjennom påfølgende trinn. Kraftloven har en eksponent på 3/2, som gjenspeiler det faktum at signalet går fra 2-D (ved LuktReseptorNevroner eller LRN) til 3-D i glomeruli. Glomeruli vil motta flere signaler fra mange OSN-er fordi mange molekyler påvirker LRN-er samtidig. Dette gjør at glomeruli kan beregne konsentrasjonen av signalet selv om LRN-ene har forskjellige følsomheter; Mangfoldigheten av signaler øker signal-til-støy-forholdet, og reduserer usikkerheten rundt miljøkilden. "I en optimal krets", forklarer de," bør presisjonen opprettholdes i hvert påfølgende trinn: det er bortkastet hvis nedstrøms-kretsen ikke kan opprettholde den." 3/2 kraftloven lar luktesans-systemet opprettholde den presisjonen.
Alt fungerte til Darwin kom ubedt inn.
--Dermed kan evolusjonen ha designet kretsens tilkoblingsparametere for å være optimale for robust opprettholdelse av informasjons og diskriminerings evne.
Og slik går det, vet du, men det ser også ut til at arter som har mer behov for å diskriminere lukter har større kretsløp for å imøtekomme behovet! Hva synes du om det? Smart, den evolusjons-designeren. Noen individer kan til og med la vokse frem flere LRN-er som respons på luktstoffer som ofte oppstår.
--Dermed kan evolusjonen ha økt kretsstørrelsen blant mer lukteavhengige arter for å klassifisere og diskriminere mer lukt.
For en dyktig designer evolusjonen er! Han, hun eller den stiller til og med opp og følger reglene. "Skalering, som er blitt observert i mange biologiske sammenhenger, avslører designbegrensninger som evolusjonen pålegger."
Fra New York til California
På vestkysten bidro to teammedlemmer ved Salk Institute til artikkelen. Charles Stevens og Shyam Srinivasan fant at "minst seks typer pattedyr - fra mus til katter - skjelner lukt på omtrent samme måte, ved å bruke kretsløp i hjernen som evolusjonært er bevart på tvers av arter." (Evolusjonært bevart betyr egentlig at ingen neo-Darwinistisk evolusjon skjedde, bortsett fra skalering av nettverket for hver art.) Srinivasan skryter, "Så hvis du fortalte antallet nevroner i nesen, kunne jeg forutsi tallet i den pæreformede cortex eller luktorganet."
Bilde 4: Luktkretser mus
Deres bilde av pæreformede-komplekset, en del av hjernen som mottar prosesserte signaler fra luktorganet , utgjorde 'Dagens Bilde' hos The Scientist -her . Bildeteksten lyder,
--Hjernekretser som ligger til grunn for pattedyrs sterke luktesans ser ut til å være bevart hos mange dyr, fra mus til marsvin til opossums (amerikansk marsvin). Reseptorer i nesen skyter signaler til en klynge av nevroner i hjernen - luktorganet - og deretter videre til den lagdelte pæreformede cortex. Det relative antallet nevroner som er involvert i hvert påfølgende trinn, er konsistent på tvers av arter, rapporterte forskere 18. juli i Current Biology.
Salk-duoen forklarer at luktsystemets nevrale nettverk, som er forskjellig fra andre sanser, fungerer med koder på måter menneskelige designere vil sette pris på [Understreking og kursiv lagt til.]:
--Spesifikt er identifisering av individuell lukt knyttet til styrken og kombinasjonen av avfyrende nevroner i kretsen som kan sammenlignes med musikk fra et piano, hvis noter kommer fra nedtrykking av flere taster for å lage akkorder, eller ordningen av bokstaver som danner ord på denne siden. [Understreking og kursiv lagt til.]:
Bilde 5: Tverrsnitt av nervecelle (akson)
"Diskriminering av lukt er basert på avfyrings-frekvensen , den elektriske pulsen som beveger seg nedover neuronets akson," sier Srinivasan. "En lukt, for eksempel for kaffe, kan fremkalle en langsom respons i et nevron, mens det samme nevronet kan svare på sjokolade med en raskere hastighet."
Robust, men ikke uovervinnelig
Sansene våre kan ofte vare livet ut og drives på sukker og proteiner og fett. De kutter ikke ut når vi dykker i et svømmebasseng. De er kompakte og elegant følsomme, men de kan bli skadet eller kan avta med alderen.
Forskere ved University of Montreal fant at et slag i hodet kan skade luktesansen. Avhengig av mengden skade fra en hjernerystelse, kan lukt-nettverket komme seg, men pasienter trenger være klar over symptomet.
"Mange mennesker vil lide en mild hjernerystelse en gang i livet, så å innse at de har problemer med å lukte er det første skrittet til å fortelle legen sin om det," sa hovedforfatter Fanny Lecuyer Giguère, som gjorde forskningen som del av sin doktorgradsavhandling i nevropsykologi, veiledet av UdeM tilknyttet professor i psykologi Johannes Frasnelli. "Det er viktig at pasienter rapporterer tap av lukt, fordi det ikke er noe deres fastlege eller legevaktslege vanligvis spør om."
Forskerne fulgte opp med ofre for skiulykker. Tap av lukt var ofte korrelert med angst. Heldigvis kunne "forskerne finne ut at de fleste som mistet luktesansen fikk den tilbake innen seks måneder etter ulykken." 
Dette innebærer at kroppens fantastiske selvreparasjonsevner strekker seg til luktekretsløpet.
Lenger inn
En forhåndsutskrift på bioRxiv -her; finner en sammenheng mellom sentralt antall og arrangement. Ciliaen på LRN-er huser luktmottakene. Ved bunnen av cilien er centrioler anordnet i en rosettformasjon. To proteiner forsterker sentrioler, og når det er nok av dem, kan cellene dele seg. "Våre funn fremhever viktigheten av å gjøre rede for centriol-forsterkning i neuron-regenereringsterapier avledet fra lukt-epitelene."
Bilde 6: Insekters luktsystem
Forskere ved University of Washington -her; undersøkte luktesystemet i mygg -her. Mange insekter har forbløffende følsomhet for lukt som feromoner, og er i stand til å oppdage dem fra flere kilometer unna (for mygg er det CO2 i pusten som tiltrekker dem). Insekter bruker LRN-er på antennene, men lignende funksjoner for innsamling, sortering og prosessering foregår i glomeruliene deres, ordnet i et organ som heter sopprom-legemet (mushroom body). Så, som hos større pattedyr, gjennomgår signalene ytterligere prosessering i hjernen av nålehode-størrelse. At en slik evne kan være forminsket i en mygg, eller en knott, bør være tilstrekkelig til å vekke ærefrykt.
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund
