La delicada fragancia del jazmín es un deleite para los sentidos. El dulce aroma es popular en tés, perfumes y popurrí. Pero al oler el aceite esencial concentrado, el agradable aroma se vuelve casi empalagoso. De hecho, parte del olor de la flor proviene del compuesto escatol, un componente destacado del olor fecal.

Nuestro sentido del olfato es claramente un proceso complejo; involucra cientos de diferentes receptores de olores que trabajan en conjunto. Cuanto más estimula un olor a una neurona en particular, más señales eléctricas envía esa neurona al cerebro. Pero los investigadores de la UC Santa Bárbara descubrieron que estas neuronas en realidad se silencian cuando un olor supera cierto umbral. Sorprendentemente, esto fue parte integral de cómo el cerebro reconoció cada olor. « Es una característica; no es un error », dijo Matthieu Louis, profesor asociado en el Departamento de Biología Molecular, Celular y del Desarrollo.

El hallazgo paradójico, publicado en Science Advances, sacude nuestra comprensión del olfato. « El mismo olor puede estar representado por patrones muy diferentes de neuronas sensoriales olfativas activas en diferentes concentraciones », dijo Louis. « Esto podría explicar por qué algunos olores pueden percibirse como muy diferentes para nosotros en concentraciones bajas, medias y muy altas. Considere, por ejemplo, el olor de un plátano maduro desde la distancia (dulce y afrutado) versus de cerca (abrumador y artificial). »

Los humanos tenemos varios millones de neuronas sensoriales en la nariz, y cada una de ellas tiene un tipo de receptor de olor. En total, tenemos alrededor de 400 tipos diferentes de receptores con sensibilidad superpuesta. Cada compuesto químico es como un zapato diferente que el receptor se está probando. Algunos zapatos se ajustan perfectamente, otros se ajustan bien, mientras que otros no se ajustan en absoluto. Un mejor ajuste produce una respuesta más fuerte del receptor. Aumentar la concentración de un olor recluta neuronas con receptores que son menos sensibles a esa sustancia. Nuestro cerebro utiliza la combinación de neuronas activadas para distinguir los olores.

Los científicos pensaron que las neuronas alcanzarían efectivamente su máximo por encima de ciertas concentraciones de olor, momento en el cual su actividad se estabilizaría. Pero el equipo dirigido por el estudiante graduado de Louis, David Tadres, encontró exactamente lo contrario : las neuronas en realidad se silencian por encima de cierto nivel, y las más sensibles se apagan primero.

un modelo sencillo

Las larvas de mosca de la fruta son un modelo ideal para estudiar el olfato. Tienen tantos tipos de receptores de olores como el número de neuronas sensoriales, a saber, 21. Esta correspondencia uno a uno hace que sea sencillo probar lo que está haciendo cada neurona.

Para el estudio, Tadres examinó larvas con una mutación que eliminó por completo su sentido del olfato. Luego, volvió a activar selectivamente ese sentido en una sola neurona sensorial, lo que permitió a las larvas detectar solo los olores que activaban ese receptor específico. Los colocó junto a una fuente de olor y observó.

Incluso con un solo canal olfativo en funcionamiento, las larvas aún podrían moverse hacia el olor más fuerte. Pero sorprendentemente, se detuvieron a cierta distancia de la fuente y simplemente la rodearon en una órbita fija. Tadres repitió el experimento con una neurona ligeramente menos sensible al olor que estaba probando y descubrió que las larvas se acercaban a la fuente antes de detenerse.

Desconcertado por este comportamiento, Tadres usó electrodos para medir la actividad de la neurona sensorial. Como era de esperar, la señalización aumentó a medida que el olor se volvió más concentrado. Pero en lugar de estancarse por encima de cierto nivel, la actividad se redujo a cero. Por eso las larvas mutantes rodearon la fuente del olor; por encima de cierta concentración, el olor simplemente desaparecía.

« El silenciamiento de la neurona sensorial olfativa podría explicar fácilmente el comportamiento circular, que antes era misterioso », dijo Tadres. « A partir de ahí, no fue difícil extrapolar que era necesario actualizar la visión actual de cómo se codifican los olores en diferentes concentraciones ».

Los investigadores sabían que la estimulación excesiva puede hacer que los nervios se silencien, un efecto llamado « bloqueo de despolarización ». Sin embargo, el consenso fue que este tipo de sobrecarga no ocurre en condiciones naturales y saludables. De hecho, esta respuesta está asociada con problemas como la epilepsia cuando ocurre en el cerebro central. Pero cuando Tadres observó que afectaba el comportamiento de las larvas, sospechó que no era simplemente un artefacto del experimento.

Un modelo matemático

Tadres y Louis comenzaron a investigar la causa del bloqueo de despolarización. Para obtener ayuda, se comunicaron con el profesor Jeff Moehlis, presidente del departamento de ingeniería mecánica, y el estudiante de doctorado de Louis, Philip Wong (coasesorado por Moehlis), quienes comenzaron a construir un modelo matemático del sistema.

El voltaje a través de la membrana de una neurona se puede describir mediante un sistema de ecuaciones. Este modelo fue un hallazgo revolucionario en 1952 y ganó un Premio Nobel para sus descubridores, Alan Hodgkin y Andrew Huxley. Para este estudio de caso, Wong agregó una representación matemática del receptor de olores, el « disparador » que inicia el resto del modelo. También incluyó una modificación del campo de la investigación de la epilepsia en la que la alta estimulación apaga ciertos canales iónicos en la membrana celular, evitando que una neurona se dispare.

El modelo de Wong pudo ajustarse y predecir las mediciones de Tadres de la actividad eléctrica de la neurona. « Esto fue bastante útil porque los datos de electrofisiología fueron difíciles de recopilar y requerían mucho tiempo para analizarlos », dijo Wong.

Además de corroborar los resultados experimentales, el modelo está guiando al equipo mientras continúan investigando este efecto. « Este modelo puede decirnos exactamente cómo responde cada neurona a diferentes olores », dijo Wong.

El éxito del modelo apunta a una posible fuente del bloqueo de despolarización : un canal iónico específico presente en las neuronas de todo el reino animal. Si es cierto, esto sugiere que la mayoría de las neuronas sensoriales podrían quedarse en silencio después de una estimulación fuerte y sostenida. El equipo espera validar esta hipótesis en un próximo estudio.

Además, el modelo predijo que el sistema se comportaría de manera diferente al subir desde bajas concentraciones de olor frente al bajar desde altas concentraciones. La medición del voltaje de las neuronas de las larvas lo confirmó. Al bajar, la neurona no se reactivó por debajo del umbral donde se había quedado en silencio. De hecho, permaneció en gran parte en silencio hasta que la concentración de olores volvió a cero antes de volver a la actividad normal.

Un mejor sistema para el olfato

Este estudio demostró que altas concentraciones de olor pueden silenciar los receptores más sensibles. Este resultado contrario a la intuición marca un cambio fundamental en nuestra comprensión del olfato. « A medida que aumenta la concentración de un olor, comenzará a reclutar más y más receptores de olores que no son tan sensibles a ese compuesto », explicó Louis. « Entonces, la opinión común hasta nuestro trabajo era que seguías agregando receptores de olores activos a la imagen ».

Esto tiene sentido, hasta que considere el sistema como un todo. Si este fuera el caso, entonces un compuesto debería activar prácticamente todos los receptores por encima de cierto nivel. « Por lo tanto, sería imposible distinguir entre dos olores diferentes en concentraciones muy altas », dijo Tadres. « Y ese claramente no es el caso ».

Tener ciertas neuronas sensoriales abandonadas mientras otras se unen podría ayudar a preservar la distinción entre los olores en altas concentraciones. Y esto podría resultar importante para la supervivencia. Podría evitar que los venenos y los nutrientes que comparten ciertos compuestos huelan igual cuando los hueles.

También podría tener consecuencias sobre cómo percibimos los olores. « Especulamos que la eliminación sucesiva de neuronas sensoriales olfativas de alta sensibilidad es como eliminar la raíz de un acorde musical », dijo Louis. « Esta omisión de la raíz alterará la forma en que su cerebro percibe el acorde asociado con un conjunto de notas. Le dará un significado diferente ».

Una nota floral sutil sugiere que un huerto puede estar en flor cerca, información útil para un animal hambriento. Mientras tanto, los mismos compuestos en concentraciones más altas podrían producir la madurez picante de la fruta en descomposición o incluso las aguas residuales: algo que es mejor evitar. Estudios como este revelan cada vez más complejidades en nuestro sentido del olfato, que evolucionó para ayudarnos a navegar por un paisaje químico igualmente complejo.