Imágenes 3d De Vanguardia Revelan Cómo La Nariz Detecta Combinaciones De Olores

Niña oliendo menta

El estudio de Columbia en ratones muestra cómo las células especiales de la nariz ayudan al cerebro a distinguir entre las combinaciones de aromas casi infinitas del mundo.

 

Cada momento del día estamos rodeados de olores. Los olores pueden traer recuerdos o advertirnos rápidamente que la comida se ha echado a perder. Pero, ¿cómo identifica nuestro cerebro tantos olores diferentes? ¿Y con qué facilidad podemos desenredar los ingredientes de una mezcla de olores? En un nuevo estudio en ratones publicado hoy en  Science , los científicos de Columbia han dado un paso importante para responder a estas preguntas, y el secreto está dentro de la nariz.

“Desde la basura hasta la colonia, los aromas que encontramos todos los días se componen de cientos o incluso miles de olores individuales”, dijo Stuart Firestein, PhD, profesor de ciencias biológicas de Columbia y coautor principal del estudio de hoy. “La taza de café de la mañana puede contener más de 800 tipos diferentes de moléculas de olor. Aunque se ha trabajado mucho para comprender cómo la nariz y el cerebro trabajan juntos para identificar los olores individuales, los científicos han luchado durante mucho tiempo para explicar cómo funciona este sistema cuando se mezclan varios olores ”.

Representación
volumétrica 3D de los datos de SCAPE adquiridos del epitelio olfatorio 10 en el nivel de reposo sin estímulo de olor que muestra un campo de visión de 1600 μm × 1200 μm × 350 μm .

Utilizando un método de imagen 3D de vanguardia llamado microscopía SCAPE, el equipo de Columbia monitoreó cómo miles de células diferentes en la nariz de un ratón respondían a diferentes olores y mezclas de esos olores. Descubrieron que la información que la nariz envía al cerebro sobre una mezcla de aromas es más que la suma de sus partes.

Cada una de las células de la nariz que detectan los olores tiene uno de una amplia gama de sensores o receptores diferentes; los seres humanos, por ejemplo, tienen hasta 400 tipos diferentes de estos receptores. Para un olor único y puro, solo las células cuyos receptores son sensibles a ese olor se activarán, enviando un código al cerebro que puede identificar como ese olor. Pero para mezclas de olores más complejas, este código se volvería cada vez más complejo de interpretar.

Los investigadores esperaban ver que las células activadas por mezclas de olores serían equivalentes a sumar respuestas a olores individuales. De hecho, descubrieron que en algunos casos un olor puede apagar la respuesta de una célula a otro olor en una mezcla; en otros casos, un primer olor podría amplificar la respuesta de una célula a un segundo olor.

Aunque a menudo percibimos que un olor domina a otro, anteriormente se suponía que este procesamiento se producía en el cerebro. Estos resultados muestran que las señales que se envían al cerebro se moldean por estas interacciones dentro de la nariz.

Los datos del equipo desafiaron la visión tradicional de que el cerebro da sentido a una mezcla de aromas al descubrir todos los componentes individuales. Confirmó lo que los perfumistas saben desde hace mucho tiempo: la combinación de diferentes aromas puede crear una determinada experiencia por sí sola, convirtiéndose esencialmente en una fragancia completamente nueva que puede proporcionar una experiencia completamente diferente.

“Estábamos emocionados de descubrir que estos cambios en el código ocurrieron en la nariz, incluso antes de que las señales llegaran al cerebro”, dijo Lu Xu, candidato a doctorado en el laboratorio Firestein y co-primer autor del estudio de hoy. “Creemos que estos efectos podrían ayudarnos a detectar e identificar una gama mucho más amplia de olores y mezclas que la que podría transmitir un simple código de aditivos”.

Para revelar este funcionamiento interno del sistema olfativo, los investigadores aprovecharon el poder de la microscopía SCAPE, una técnica desarrollada por Elizabeth Hillman, PhD, investigadora principal del Instituto Zuckerman y coautora principal del  artículo científico de hoy  . La microscopía SCAPE crea imágenes 3D de alta velocidad de tejidos vivos en tiempo real. Barre una hoja de luz en ángulo hacia adelante y hacia atrás para crear películas en 3D de alta velocidad de células y tejidos vivos en acción.

Los laboratorios de Firestein y Hillman personalizaron SCAPE para iluminar y ver los tejidos en la nariz de los ratones. Los investigadores examinaron las células neuronales dentro de las narices de los animales que estaban marcadas con fluorescencia que brillaba bajo el microscopio cuando se activaban estas células. Luego expusieron los tejidos nasales de los animales a una variedad de combinaciones de aromas diferentes: una con un bouquet amaderado y la otra con una mezcla de aromas de almendras, florales y cítricos.

“SCAPE nos permitió analizar simultáneamente la actividad en cualquiera de las decenas de miles de células individuales durante largos períodos de tiempo”, dijo Wenze Li, PhD, investigador científico postdoctoral en el laboratorio Hillman y co-primer autor del artículo. “Usando microscopios convencionales, solo pudimos obtener imágenes de unos pocos cientos de células en una capa delgada durante un corto tiempo. SCAPE hizo posible obtener imágenes de muchas más células dentro de las estructuras nasales 3D intactas sin dañar el tejido. Esto nos permitió rastrear la respuesta de cada celda a lo largo del tiempo a una larga serie de diferentes combinaciones de olores “.

Para procesar la inmensa cantidad de datos recopilados, más de 300 gigabytes por muestra de tejido, el equipo tuvo que construir su propio servidor de procesamiento de datos y trabajó con algoritmos desarrollados por el Departamento de Estadística de Columbia y la Fundación Simons.

Durante casi veinte años, los expertos en aromas han sabido que ciertos olores pueden enmascarar o incluso mejorar otros. Con el estudio de hoy, los investigadores descubrieron un mecanismo potencial para este fenómeno.

“Nuestros resultados mostraron que las moléculas de olor pueden activar y desactivar receptores, enmascarando otros aromas no dominándolos, sino cambiando la forma en que las células responden a ellos”, dijo el Dr. Hillman, profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería de Columbia y Ciencia aplicada. “Estos hallazgos podrían ser muy útiles, por ejemplo, para hacer mejores ambientadores que bloqueen los olores no deseados”.

“Estos resultados también son emocionantes porque no esperábamos que este tipo de receptor pudiera mejorarse o suprimirse de esta manera”, agregó el Dr. Firestein. “Poder cambiar la forma en que un receptor responde a una sustancia es muy importante para el desarrollo de fármacos. Nuestros estudios en la nariz en realidad arrojan nueva luz sobre las posibles formas de modular la respuesta de otros tipos de células que podrían estar involucradas en la enfermedad ”.

“Este estudio fue una verdadera unión de la experiencia de dos laboratorios diferentes, con tecnología de microscopía de vanguardia y análisis de big data”, agregó el Dr. Hillman, quien también es profesor de radiología en el Colegio de Médicos Vagelos de Columbia. y Cirujanos. El Dr. Hillman atribuye la financiación y el estímulo de la Iniciativa NIH BRAIN por hacer posible este trabajo paralelo de ciencia y tecnología. “Descubrimos algo que antes era casi imposible de ver, porque teníamos una nueva forma de verlo”.

Referencia: “Modulación generalizada impulsada por receptores en la codificación olfativa periférica” ​​por Lu Xu, Wenze Li, Venkatakaushik Voleti, Dong-Jing Zou, Elizabeth MC Hillman y Stuart Firestein, 9 de abril de 2020, Science .
DOI: 10.1126 / science.aaz5390

Este artículo se titula “Modulación generalizada impulsada por receptores en la codificación olfativa periférica”. Los colaboradores adicionales incluyen Venkatakaushik Voleti y Dong-Jing Zou.

Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (2 R01 DC013553), Iniciativa NIH BRAIN (U01NS09429, UF1NS108213), Firmenich (3000615937), Instituto Nacional del Cáncer (U01CA236554), Departamento de Defensa (MURI W911NF-12-24 1-0594) ), la Simons Foundation Collaboration on the Global Brain, el Kavli Institute for Brain Science y la National Science Foundation (IGERT y CAREER CBET-0954796).

Intereses en competencia: Elizabeth Hillman, Wenze Li y Venkatakaushik Voleti declaran un posible conflicto de interés financiero relacionado con la concesión de licencias de propiedad intelectual de microscopía SCAPE a Leica Microsystems para el desarrollo comercial. Stuart Firestein, Elizabeth Hillman, Venkatakaushik Voleti y Wenze Li reciben fondos para asesorar a Firmenich SA en el trabajo relacionado con el aquí presentado.

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