Imagínese tratando de averiguar cómo funciona algo cuando ese algo tiene lugar en un espacio más pequeño que un femtolitro:un cuatrillionith de litro. Ahora, dos científicos con olfato para resolver misterios han utilizado una combinación de modelos matemáticos, electrofisiología, y simulaciones por computadora para explicar cómo las células se comunican de manera efectiva en espacios muy restringidos, como los cilios olfatorios, donde tiene lugar la detección de olores. Los hallazgos informarán los estudios futuros de la comunicación y la señalización celular en el sistema olfativo y también en otros espacios confinados del sistema nervioso.

El autor del estudio, Johannes Reisert, Doctor., un fisiólogo celular del Centro Monell, comentarios "Los canales de iones y cómo sus corrientes cambian las concentraciones de iones dentro de las células son muy difíciles de estudiar. Nuestro enfoque basado en modelos nos permite comprender mejor no solo cómo funciona el olfato, sino también la función de pequeñas terminaciones nerviosas como las dendritas, donde la patología está asociada con muchas enfermedades neurodegenerativas ".

En el estudio, publicado en línea antes de la impresión en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , los científicos preguntaron por qué las células receptoras olfativas se comunican con el cerebro mediante una serie de eventos eléctricos fundamentalmente diferente a la utilizada por las células sensoriales en los sistemas visual o auditivo.

El olfato comienza cuando, en un proceso similar al de una llave que se coloca en una cerradura, una molécula química en el aire viaja a través del moco nasal para unirse a un receptor olfativo incrustado en la pared de una célula nerviosa dentro de la nariz. Los receptores olfativos se encuentran en los cilios, estructuras filiformes superfinas alargadas de menos de 0,000004 pulgadas de diámetro, que se extienden desde la célula nerviosa hasta el moco.

El acto de unión del receptor de olor inicia una cascada molecular compleja dentro de la célula olfativa, conocido como transducción, lo que hace que el nervio envíe una señal eléctrica para informar al cerebro que se ha detectado un olor.

El proceso de transducción culmina con la apertura de poros llamados canales iónicos, ubicado en la pared de la célula nerviosa. Los poros abiertos permiten que las moléculas (iones) cargadas eléctricamente positivas o negativas entren y salgan de la celda. En última instancia, esto cambia la carga eléctrica general de la celda a un estado menos negativo, que es lo que inicia la señal de la célula al cerebro.

La mayoría de los canales iónicos son selectivos para un ión específico, incluyendo sodio cargado positivamente (Na ⁺ ) iones o cloruro cargado negativamente (Cl ^- ). El flujo de un ion a través de su canal en cualquier dirección genera una corriente eléctrica.

Las células receptoras en los sistemas visual y auditivo dependen de las corrientes de iones positivos que fluyen hacia adentro para provocar una señal eléctrica. A diferencia de, el sistema olfativo también se basa en corrientes de iones negativos que fluyen hacia el exterior.

Mediante el uso de múltiples enfoques para desarrollar un modelo comprobable de transducción olfativa y corrientes iónicas, Reisert y su colaborador, el neurocientífico computacional Jürgen Reingruber, Doctor., de la Ecole Normale Supérieure de París, pudieron explicar por qué el sistema olfativo funciona de manera diferente.

Los investigadores demostraron que confiar en Cl ^- en lugar de Na ⁺ como parte de la cascada de transducción proporciona varias ventajas que permiten que las células olfativas respondan a los olores de manera más consistente.

Una limitación que enfrenta el sistema olfativo es que las concentraciones de Na ⁺ y otros iones positivos en el moco fuera de las células olfativas varían drásticamente en función del entorno externo de la nariz. Esto dificulta que las células olfativas dependan del Na de origen externo. ⁺ corrientes como un componente confiable de la respuesta de transducción.

Las células olfativas contrarrestan este problema mediante el uso de un Cl ^- corriente que se origina dentro de la celda, donde las concentraciones de iones son más estables, haciendo el Cl ^- actual más confiable en general.

"Imagina que has estado nadando en el océano y tu nariz está bañada en agua salada. Eso significa que hay mucho más sodio fuera de las células olfativas, pero deben poder funcionar de manera confiable, ya sea que haya estado nadando en el océano o esté sentado en su cocina, ", dijo Reisert." Reemplazando el Na de origen externo ⁺ actual con Cl ^- iones que se mueven desde el interior de la célula hacia el exterior resuelve ese problema ".

Los modelos también mostraron que el uso de Cl que fluye hacia afuera ^- Las corrientes de iones permiten que las células olfativas protejan el espacio intracelular infinitesimal de los cilios, que es donde ocurre la transducción olfativa. Esto se debe a que los iones positivos que fluyen hacia adentro alentarían la entrada de agua adicional al espacio, potencialmente resultando en hinchazón osmótica y daño estructural relacionado a los cilios.

Los hallazgos explican cómo el sistema olfativo puede funcionar de manera confiable a pesar de las desafiantes condiciones físicas de un entorno externo inestable y el pequeño volumen ciliar. Un ejemplo del poderoso valor de la ciencia básica, este enfoque de modelado se puede utilizar ahora para investigar cuestiones similares en otras partes del sistema nervioso.