想象一下，當(dāng)某個(gè)東西發(fā)生在小于飛升的空間中時(shí)，試圖找出某些東西是如何工作的：一公升的千萬(wàn)億分之一?，F(xiàn)在，兩位解決謎團(tuán)的科學(xué)家利用數(shù)學(xué)建模，電生理學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方式解釋細(xì)胞如何在高度狹窄的空間中有效地進(jìn)行交流，例如嗅覺纖毛，在那里進(jìn)行氣味檢測(cè)。該研究結(jié)果將為嗅覺系統(tǒng)以及神經(jīng)系統(tǒng)其他受限空間中的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和通信的未來(lái)研究提供信息。

研究作者，Monell Center細(xì)胞生理學(xué)家Johannes Reisert博士評(píng)論說(shuō)：“離子通道以及它們的電流如何改變細(xì)胞內(nèi)的離子濃度是眾所周知的難以研究。我們基于模型的方法使我們不僅能夠更好地理解嗅覺是如何起作用的，而且還有小神經(jīng)末梢如樹突的功能，其中病理學(xué)與許多神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。“

在該研究中，在“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上發(fā)表在線版之前，科學(xué)家們?cè)儐?wèn)為什么嗅覺受體細(xì)胞使用與視覺或聽覺系統(tǒng)中的感覺細(xì)胞所使用的根本不同的一系列電事件與大腦進(jìn)行通信。 。

嗅覺開始時(shí)，在類似于裝入鎖的鑰匙的過(guò)程中，空氣傳播的化學(xué)分子穿過(guò)鼻粘液與嵌入鼻內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞壁上的嗅覺受體結(jié)合。嗅覺受體位于纖毛上，細(xì)長(zhǎng)的超細(xì)線狀結(jié)構(gòu)，直徑小于0.000004英寸，從神經(jīng)細(xì)胞延伸到粘液中。

氣味受體結(jié)合的作用啟動(dòng)嗅覺細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜分子級(jí)聯(lián)，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)，其導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)送電信號(hào)以通知大腦已檢測(cè)到氣味。

轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程以稱為離子通道的孔的開口達(dá)到頂點(diǎn)，所述孔位于神經(jīng)細(xì)胞的壁中。開孔使得帶正電或帶負(fù)電的分子(離子)能夠流入和流出電池。這最終將細(xì)胞的整體電荷改變?yōu)樨?fù)面狀態(tài)，這是啟動(dòng)細(xì)胞向大腦發(fā)出信號(hào)的原因。

大多數(shù)離子通道對(duì)特定離子具有選擇性，包??括帶正電荷的鈉(Na +)離子或帶負(fù)電荷的氯離子(Cl -)。離子在任一方向上通過(guò)其通道的流動(dòng)產(chǎn)生電流。

視覺和聽覺系統(tǒng)中的受體細(xì)胞依賴于向內(nèi)流動(dòng)的正離子電流來(lái)引發(fā)電信號(hào)。相反，嗅覺系統(tǒng)也依賴于向外流動(dòng)的負(fù)離子電流。

通過(guò)使用多種方法開發(fā)可測(cè)試的嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)和離子電流模型，Reisert和他的合作者，來(lái)自巴黎高等師范學(xué)院的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家JürgenReingruber博士能夠解釋為什么嗅覺系統(tǒng)的功能不同。

研究人員證明，依賴Cl -而不是Na +作為轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)的一部分提供了一些優(yōu)勢(shì)，使嗅覺細(xì)胞能夠更加一致地響應(yīng)氣味。

嗅覺系統(tǒng)面臨的一個(gè)限制因素是嗅覺細(xì)胞外粘液中Na +和其他正離子的濃度隨著鼻子外部環(huán)境的變化而顯著變化。這使得嗅覺細(xì)胞難以依賴外源Na +電流作為轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)的可靠組分。

嗅覺細(xì)胞通過(guò)使用來(lái)自細(xì)胞內(nèi)的Cl -電流來(lái)抵消這個(gè)問(wèn)題，其中離子濃度更穩(wěn)定，使得Cl -電流整體更可靠。

“想象一下，你一直在海里游泳，你的鼻子沐浴在鹽水中。這意味著嗅覺細(xì)胞外面有更多的鈉，但無(wú)論你是否剛剛游過(guò)嗅覺細(xì)胞，它們都需要能夠可靠地運(yùn)作。海洋或坐在你的廚房里，“Reisert說(shuō)。“ 用Cl -離子替換外部產(chǎn)生的Na +電流，從電池內(nèi)部移動(dòng)到外部解決了這個(gè)問(wèn)題。”

模型還表明，使用向外流動(dòng)的Cl -離子電流使嗅覺細(xì)胞能夠保護(hù)纖毛的無(wú)限小細(xì)胞內(nèi)空間，這是嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生的地方。這是因?yàn)橄騼?nèi)流動(dòng)的正離子會(huì)促使額外的水進(jìn)入空間，可能導(dǎo)致滲透性膨脹和纖毛的相關(guān)結(jié)構(gòu)損傷。

該研究結(jié)果解釋了盡管外部環(huán)境不穩(wěn)定且睫狀體體積小，但嗅覺系統(tǒng)如何能夠可靠地發(fā)揮作用。作為基礎(chǔ)科學(xué)強(qiáng)大價(jià)值的一個(gè)例子，這種建模方法現(xiàn)在可用于研究神經(jīng)系統(tǒng)其他部分的類似問(wèn)題。