Wetenschappers vinden dat reacties op gemengde geuren complexer zijn dan eerder werd gedacht.
Ons vermogen om netwerken binnen het zenuwstelsel te bestuderen, is beperkt door de beschikbare instrumenten om grote hoeveelheden cellen tegelijk te observeren. Een ultrasnelle, 3D-beeldvormende techniek genaamd SCAPE-microscopie, ontwikkeld door het Brain Research van de National Institutes of Health (NIH) door middel van Advancing Innovative Technologies (BRAIN) Initiative, zorgt ervoor dat een groter volume weefsel kan worden bekeken op een manier die veel minder schadelijk voor delicate netwerken van levende cellen.
In een in Science gepubliceerde studie gebruikten onderzoekers SCAPE om voor het eerst te kijken hoe het reukepitheel van de muis – het deel van het zenuwstelsel dat geuren direct waarneemt – in realtime op complexe geuren reageerde. Ze ontdekten dat die zenuwcellen een grotere en complexere rol kunnen spelen bij het interpreteren van geuren dan eerder werd aangenomen.
“Dit is een elegante demonstratie van de kracht van BRAIN Initiative-technologieën om nieuwe inzichten te verschaffen over hoe de hersenen informatie decoderen om sensaties, gedachten en acties te produceren”, zegt Edmund Talley, Ph.D., programmadirecteur van het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), een onderdeel van NIH.
De SCAPE-microscoop is ontwikkeld in het laboratorium van Elizabeth M.C. Hillman, Ph.D., hoogleraar biomedische technologie en radiologie en hoofdonderzoeker aan het Columbia Zuckerman Institute in New York City.
“SCAPE-microscopie is ongelooflijk geschikt geweest voor studies waarbij grote volumes tegelijk en in realtime moeten worden waargenomen”, aldus Dr. Hillman. “Omdat de cellen en weefsels intact kunnen worden gelaten en met hoge snelheden in drie dimensies kunnen worden gevisualiseerd, zijn we in staat om veel nieuwe vragen te onderzoeken die voorheen niet konden worden onderzocht.”
Muisgeurepitheelcellen reageren in realtime op geurmengsels. Wanneer individuele cellen door geuren worden geactiveerd, neemt hun groene fluorescentie toe. Deze afbeeldingen zijn verkregen via het 3D SCAPE-microscopiesysteem, dat is ontwikkeld met financiering van het NIH BRAIN Initiative. Video ter beschikking gesteld door de labs van Hillman en Firestein.
Het reukepitheel bevindt zich diep in de neus en bestaat uit vele duizenden zenuwcellen die elk een enkele speciale receptor bevatten die reageert op een specifieke geur. Studies met individuele, eenvoudige geuren suggereren dat wanneer we iets ruiken, een specifieke combinatie van deze zenuwcellen wordt geactiveerd en een code vormt die door de hersenen wordt geïnterpreteerd als die specifieke geur. In het verleden konden onderzoekers slechts een beperkt deel van dit gebied tegelijkertijd bestuderen en de gebruikte methoden konden het weefsel beschadigen, waardoor het moeilijk was om definitieve conclusies te trekken.
Het reukepitheel bleek een ideaal doelwit om te bestuderen met SCAPE, omdat de zenuwcellen die verantwoordelijk zijn voor het detecteren van geuren enigszins willekeurig worden verdeeld. Dit betekent dat het belangrijk is om zoveel mogelijk cellen te bekijken om conclusies te trekken over hun activiteitenpatroon.
Met behulp van SCAPE konden de onderzoekers die deze studie uitvoerden duizenden reukzenuwcellen tegelijk meten terwijl ze reageerden op combinaties van verschillende geuren die worden beschreven als ‘amandel’, ‘bloemen / jasmijn’ en ‘citrus’. Hoewel ze eenvoudige patronen zagen die door de bestaande theorie werden voorspeld toen ze het weefsel afzonderlijk aan geuren blootstelden, zagen ze, wanneer twee of drie geuren met elkaar werden gemengd, een veel complexer systeem van interactieve zenuwcelreacties dan verwacht.
“We verwachtten dat de reactie op een mengsel van geuren veel zou lijken op de som van de reacties op de oorspronkelijke geuren”, zegt Stuart Firestein, Ph.D., professor aan de Columbia University, New York City, en een senior auteur van de studie . “In plaats daarvan observeerden we complexe interacties waarbij een tweede geur de reactie van een neuron op de eerste geur versterkte, of in andere gevallen de reactie van een neuron remde.”
Deze resultaten suggereren dat de signalen die de hersenen bereiken, worden vervormd door deze receptorinteracties in de neus, waardoor de code voor een mengsel van geuren verandert in iets merkbaar anders dan de som van de delen. Aangezien bijna alle geuren om ons heen complexe mengsels zijn, zou dit mechanisme kunnen verklaren hoe we een grote verscheidenheid aan verschillende geuren kunnen onderscheiden, terwijl het ook uitlegt waarom het vaak moeilijk kan zijn om de afzonderlijke ingrediënten van een mengsel te onderscheiden.