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想象一下，当某个东西发生在小于飞升的空间中时，试图找出某些东西是如何工作的：一公升的千万亿分之一。现在，两位解决谜团的科学家利用数学建模，电生理学和计算机模拟相结合的方式解释细胞如何在高度狭窄的空间中有效地进行交流，例如嗅觉纤毛，在那里进行气味检测。该研究结果将为嗅觉系统以及神经系统其他受限空间中的细胞信号传导和通信的未来研究提供信息。
研究作者，Monell Center细胞生理学家Johannes Reisert博士评论说：“离子通道以及它们的电流如何改变细胞内的离子浓度是众所周知的难以研究。我们基于模型的方法使我们不仅能够更好地理解嗅觉是如何起作用的，而且还有小神经末梢如树突的功能，其中病理学与许多神经退行性疾病有关。“
在该研究中，在“ 美国国家科学院院刊”上发表在线版之前，科学家们询问为什么嗅觉受体细胞使用与视觉或听觉系统中的感觉细胞所使用的根本不同的一系列电事件与大脑进行通信。 。
嗅觉开始时，在类似于装入锁的钥匙的过程中，空气传播的化学分子穿过鼻粘液与嵌入鼻内神经细胞壁上的嗅觉受体结合。嗅觉受体位于纤毛上，细长的超细线状结构，直径小于0.000004英寸，从神经细胞延伸到粘液中。
气味受体结合的作用启动嗅觉细胞内的复杂分子级联，称为转导，其导致神经发送电信号以通知大脑已检测到气味。
转导过程以称为离子通道的孔的开口达到顶点，所述孔位于神经细胞的壁中。开孔使得带正电或带负电的分子(离子)能够流入和流出电池。这最终将细胞的整体电荷改变为负面状态，这是启动细胞向大脑发出信号的原因。
大多数离子通道对特定离子具有选择性，包括带正电荷的钠(Na +)离子或带负电荷的氯离子(Cl -)。离子在任一方向上通过其通道的流动产生电流。
视觉和听觉系统中的受体细胞依赖于向内流动的正离子电流来引发电信号。相反，嗅觉系统也依赖于向外流动的负离子电流。
通过使用多种方法开发可测试的嗅觉转导和离子电流模型，Reisert和他的合作者，来自巴黎高等师范学院的计算神经科学家JürgenReingruber博士能够解释为什么嗅觉系统的功能不同。
研究人员证明，依赖Cl -而不是Na +作为转导级联的一部分提供了一些优势，使嗅觉细胞能够更加一致地响应气味。
嗅觉系统面临的一个限制因素是嗅觉细胞外粘液中Na +和其他正离子的浓度随着鼻子外部环境的变化而显着变化。这使得嗅觉细胞难以依赖外源Na +电流作为转导反应的可靠组分。
嗅觉细胞通过使用来自细胞内的Cl -电流来抵消这个问题，其中离子浓度更稳定，使得Cl -电流整体更可靠。
“想象一下，你一直在海里游泳，你的鼻子沐浴在盐水中。这意味着嗅觉细胞外面有更多的钠，但无论你是否刚刚游过嗅觉细胞，它们都需要能够可靠地运作。海洋或坐在你的厨房里，“Reisert说。“ 用Cl -离子替换外部产生的Na +电流，从电池内部移动到外部解决了这个问题。”
模型还表明，使用向外流动的Cl -离子电流使嗅觉细胞能够保护纤毛的无限小细胞内空间，这是嗅觉转导发生的地方。这是因为向内流动的正离子会促使额外的水进入空间，可能导致渗透性膨胀和纤毛的相关结构损伤。
该研究结果解释了尽管外部环境不稳定且睫状体体积小，但嗅觉系统如何能够可靠地发挥作用。作为基础科学强大价值的一个例子，这种建模方法现在可用于研究神经系统其他部分的类似问题。
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