睫狀電流是如何保持嗅覺可靠的？

想像一下當一個物體發生在一個小于飛升的空間里，也就是千分之一升的空間里時，它是如何運作的？現在，兩名擅長解決謎題的科學家將數學建模、電生理學和計算機模擬結合起來，解釋了細胞如何在嗅覺纖毛等高度狹窄的空間進行有效溝通。嗅覺纖毛是嗅覺探測的場所，這一發現將為未來的研究提供信息，包括嗅覺系統和神經系統其他受限區域的細胞信號和通信。這項研究的作者，莫奈爾中心的細胞生理學家Johannes Reisert博士評論說：離子通道以及電流是如何改變細胞內離子濃度是出了名的難研究。基於模型的方法使我們不僅能更好地理解嗅覺是如何工作，還能更好地理解小神經末梢(如樹突)的功能。

博科園-科學科普：而這些小神經末梢的病理與許多神經退行性疾病有關。這項研究發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。科學家們在研究中提出了一個問題，為什麼嗅覺受體細胞與視覺或聽覺系統中的感覺細胞相比，使用一系列完全不同的電活動與大腦進行交流。嗅覺開始的過程類似於鑰匙插入鎖中，空氣中的化學分子通過鼻腔黏液與鼻腔內神經細胞壁上的嗅覺受體結合。嗅覺感受器位於纖毛上，纖毛是超薄細長的線狀結構，直徑小於0.000004英寸，從神經細胞延伸到黏液中。氣味受體結合的行為在嗅覺細胞內啟動了一個複雜的分子級聯，稱為轉導，這導致神經發送一個電信號告訴大腦氣味已經被檢測到。

莫奈爾中心(Monell Center)的細胞生理學家賴塞特(Reisert)喜歡解決嗅覺生理學中的重大問題。圖片：Paola Nogueras/Monell Center

傳導過程以位於神經細胞壁的離子通道孔的打開而達到頂峰。這些開孔使正電荷或負電荷分子(離子)進出細胞。這最終會將細胞的總電荷改變為較少的負電荷狀態，而負電荷狀態正是細胞向大腦發出信號的初始狀態。大多數離子通道對特定的離子具有選擇性，包括帶正電荷的鈉離子(Na )或帶負電荷的氯離子(Cl-)。離子在兩個方向上通過通道時，都會產生電流。視覺和聽覺系統中的受體細胞都依賴於向內流動的正離子電流來產生電信號。相反，嗅覺系統也依賴於向外流動的負離子電流。Reisert和他的合作者，來自巴黎高等師範學院的計算神經科學家Jurgen Reingruber博士，通過使用多種方法開發了一種可測試的嗅覺傳導和離子電流模型，他們能夠解釋為什麼嗅覺系統功能不同。

研究人員證明，依賴Cl-而不是Na 作為傳導級聯的一部分提供了幾個優勢，使嗅覺細胞能夠更一致地對氣味作出反應。嗅覺系統面臨的一個限制是，嗅覺細胞外黏液中Na 和其他陽離子的濃度隨著鼻子外部環境的變化而發生顯著變化。這使得嗅覺細胞很難依賴外部產生的Na 電流作為傳導反應的可靠組成部分。嗅覺細胞利用來自細胞內部的Cl-電流來抵消這一問題，在細胞內離子濃度更穩定，使Cl-電流整體上更可靠。想像你一直在海里游泳，你的鼻子泡在鹽水裡。這意味著嗅覺細胞外有更多的鈉，但無論你是剛剛在海里游泳還是坐在廚房裡，它們都必須能夠可靠地發揮作用。

用從細胞內移動到細胞外的Cl離子取代外部產生的Na 電流，解決了這個問題。這些模型還表明，利用向外流動的Cl-離子流，嗅覺細胞能夠保護纖毛細胞內極小的空間，而纖毛正是嗅覺傳導發生的地方。這是因為內向流動的陽離子會促使更多的水進入這個空間，可能導致滲透性腫脹和纖毛相關的結構損傷。這些發現解釋了嗅覺系統如何能夠在不穩定的外部環境和較小纖毛體積的物理條件下可靠地工作。作為基礎科學強大價值的一個例子，這種建模方法現在可以用於研究神經系統其他部分的類似問題。

博科園-科學科普｜研究/來自：Monell Chemical Senses Center

參考期刊文獻:《美國國家科學院院刊》

論文DOI：doi.org/10.1073/pnas.1816371116

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