นักวิจัยเผยให้เห็นความแตกต่างเล็กน้อยเพิ่มเติมในการรับรู้กลิ่นของเรา

กลิ่นหอมอ่อนๆ ของดอกมะลิ สร้างความรื่นรมย์ให้กับประสาทสัมผัส กลิ่นหอมหวานเป็นที่นิยมในชา น้ำหอม และบุหงา แต่สูดดมน้ำมันหอมระเหยเข้มข้นและกลิ่นหอมที่น่ารื่นรมย์ก็เกือบจะทำให้รู้สึกรำคาญ แท้จริงแล้วกลิ่นของดอกไม้ส่วนหนึ่งมาจากสารประกอบสกาโทลซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของกลิ่นอุจจาระการรับรู้กลิ่นของเรานั้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนอย่างชัดเจน มันเกี่ยวข้องกับตัวรับกลิ่นที่แตกต่างกันหลายร้อยตัวที่ทำงานประสานกัน ยิง กลิ่น

กระตุ้นเซลล์ประสาทใดเซลล์หนึ่งมาก สัญญาณไฟฟ้าที่เซลล์ประสาทส่งไปยังสมองก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แต่นักวิจัยที่ UC Santa Barbara ค้นพบว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้เงียบลงจริง ๆ เมื่อมีกลิ่นสูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ที่น่าทึ่งคือสิ่งนี้เป็นส่วนสำคัญในการที่สมองรับรู้กลิ่นแต่ละกลิ่น "มันเป็นคุณลักษณะ ไม่ใช่ข้อผิดพลาด" Matthieu Louis รองศาสตราจารย์ภาควิชาชีววิทยาระดับโมเลกุล เซลล์ และพัฒนาการกล่าว การค้นพบที่ขัดแย้งกันซึ่งตีพิมพ์ในScience Advancesทำให้ความเข้าใจเกี่ยวกับการดมกลิ่นของเราสั่นคลอน "กลิ่นเดียวกันสามารถแสดงด้วยรูปแบบที่แตกต่างกันมากของเซลล์ประสาทรับกลิ่นที่แอ็คทีฟที่ระดับความเข้มข้นต่างกัน" หลุยส์กล่าว "สิ่งนี้อาจอธิบายได้ว่าทำไมกลิ่นบางอย่างจึงแตกต่างไปมากสำหรับเราที่ความเข้มข้นต่ำ ปานกลาง และสูงมาก ลองพิจารณาตัวอย่าง เช่น กลิ่นของกล้วยสุกจากระยะไกล (หอมหวานและกลิ่นผลไม้) เทียบกับระยะใกล้ (หอมแรงและประดิษฐ์ขึ้น) " มนุษย์มีเซลล์รับความรู้สึกหลายล้านเซลล์ในจมูกของเรา และแต่ละเซลล์มีตัวรับกลิ่นประเภทเดียว โดยรวมแล้ว เรามีตัวรับที่แตกต่างกันประมาณ 400 ชนิดที่มีความไวที่ทับซ้อนกัน สารประกอบทางเคมีแต่ละชนิดเป็นเหมือนรองเท้าที่แตกต่างกันซึ่งตัวรับกำลังพยายามอยู่ รองเท้าบางคู่พอดี บางคู่พอดี ในขณะที่บางคู่ไม่พอดีเลย ความพอดีที่ดีกว่าจะสร้างการตอบสนองที่แข็งแกร่งขึ้นจากตัวรับ การเพิ่มความเข้มข้นของกลิ่นจะคัดเลือกเซลล์ประสาทที่มีตัวรับซึ่งมีความไวต่อสารนั้นน้อยกว่า สมองของเราใช้การรวมกันของเซลล์ประสาทที่ถูกกระตุ้นเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างกลิ่น นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเซลล์ประสาทจะมีประสิทธิภาพสูงสุดเหนือความเข้มข้นของกลิ่นบางอย่าง ซึ่งจุดนั้นกิจกรรมของพวกมันจะคงที่ แต่ทีมที่นำโดย David Tadres นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Louis กลับพบสิ่งที่ตรงกันข้าม นั่นคือ เซลล์ประสาทเงียบลงในระดับหนึ่ง โดยเซลล์ที่ไวต่อความรู้สึกมากที่สุดจะหลุดออกไปก่อน โมเดลที่เรียบง่าย ตัวอ่อนของแมลงวันผลไม้เป็นแบบจำลองที่เหมาะสำหรับการศึกษาการดมกลิ่น พวกมันมีตัวรับกลิ่นหลายชนิดพอๆ กับจำนวนเซลล์ประสาทรับความรู้สึก กล่าวคือ 21 ตัว การโต้ตอบแบบหนึ่งต่อหนึ่งนี้ทำให้ง่ายต่อการทดสอบว่าเซลล์ประสาทแต่ละตัวกำลังทำอะไร สำหรับการศึกษานี้ Tadres ตรวจสอบตัวอ่อนด้วยการกลายพันธุ์ที่กำจัดกลิ่นของพวกมันโดยสิ้นเชิง จากนั้นเขาก็เลือกเปิดใช้งานความรู้สึกนั้นอีกครั้งในเซลล์ประสาทรับความรู้สึกเดียว ทำให้ตัวอ่อนสามารถตรวจจับเฉพาะกลิ่นที่เปิดใช้งานตัวรับเฉพาะนั้น เขาวางไว้ใกล้กับแหล่งกำเนิดกลิ่นและเฝ้าดู แม้จะมีช่องรับกลิ่นเพียงช่องเดียว ตัวอ่อนก็ยังสามารถเคลื่อนตัวเข้าหากลิ่นที่แรงกว่าได้ แต่ที่น่าทึ่งคือพวกมันหยุดอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดในระยะหนึ่ง และวนรอบมันในวงโคจรคงที่ Tadres ทำการทดลองซ้ำโดยให้เซลล์ประสาทมีความไวต่อกลิ่นน้อยกว่าเล็กน้อย และพบว่าตัวอ่อนเข้าใกล้แหล่งกำเนิดก่อนที่จะหยุด ด้วยความงุนงงกับพฤติกรรมนี้ Tadres จึงใช้อิเล็กโทรดเพื่อวัดการทำงานของเซลล์ประสาทรับความรู้สึก ตามที่คาดไว้ การส่งสัญญาณเพิ่มขึ้นเมื่อกลิ่นมีความเข้มข้นมากขึ้น แต่แทนที่จะราบสูงเหนือระดับหนึ่ง กิจกรรมกลับพังทลายเป็นศูนย์ นั่นเป็นสาเหตุที่ตัวอ่อนกลายพันธุ์บินวนรอบแหล่งกำเนิดกลิ่น เหนือความเข้มข้นระดับหนึ่ง กลิ่นก็หายไป Tadres กล่าวว่า "การปิดเสียงของเซลล์ประสาทรับกลิ่นสามารถอธิบายพฤติกรรมการวนรอบ ซึ่งเป็นสิ่งที่ลึกลับมาก่อนได้อย่างง่ายดาย" "จากนั้นก็ไม่ยากที่จะคาดการณ์ว่ามุมมองปัจจุบันเกี่ยวกับการเข้ารหัสกลิ่นที่ความเข้มข้นต่างๆ นั้นจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง" นักวิจัยทราบดีว่าการกระตุ้นมากเกินไปอาจทำให้เส้นประสาทหยุดทำงาน ซึ่งเรียกว่า "บล็อกการสลับขั้ว" อย่างไรก็ตาม มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ว่าการโอเวอร์โหลดลักษณะนี้จะไม่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะธรรมชาติที่ดีต่อสุขภาพ แท้จริงแล้วการตอบสนองนี้เกี่ยวข้องกับปัญหาต่างๆ เช่น โรคลมบ้าหมู เมื่อมันเกิดขึ้นในสมองส่วนกลาง แต่เมื่อ Tadres สังเกตว่ามันส่งผลต่อพฤติกรรมของตัวอ่อน เขาสงสัยว่ามันไม่ใช่แค่สิ่งประดิษฐ์ของการทดลองเท่านั้น แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ Tadres และ Louis เริ่มสืบหาสาเหตุของการสลับขั้ว เพื่อขอความช่วยเหลือ พวกเขาติดต่อศาสตราจารย์ Jeff Moehlis หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล และ Philip Wong นักศึกษาปริญญาเอกของ Louis (ร่วมให้คำแนะนำโดย Moehlis) ซึ่งเริ่มสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบ แรงดันไฟฟ้าข้ามเมมเบรนของเซลล์ประสาทสามารถอธิบายได้ด้วยระบบสมการ โมเดลนี้เป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ในปี 1952 และได้รับรางวัลโนเบลสำหรับผู้ค้นพบ Alan Hodgkin และ Andrew Huxley สำหรับกรณีศึกษานี้ Wong ได้เพิ่มการแสดงทางคณิตศาสตร์ของตัวรับกลิ่นซึ่งเป็น "ทริกเกอร์" ที่เริ่มต้นส่วนที่เหลือของแบบจำลอง นอกจากนี้เขายังรวมการดัดแปลงจากสาขาการวิจัยโรคลมชักซึ่งการกระตุ้นสูงจะปิดช่องไอออนบางอย่างในเยื่อหุ้มเซลล์ ป้องกันเซลล์ประสาทจากการยิง แบบจำลองของหว่องสามารถพอดีและทำนายการวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทของทาเดรสได้ "สิ่งนี้ค่อนข้างมีประโยชน์เพราะข้อมูลสรีรวิทยาของไฟฟ้ายากที่จะรวบรวมและใช้เวลานานมากในการวิเคราะห์" หว่องกล่าว นอกเหนือจากการยืนยันผลการทดลองแล้ว แบบจำลองยังเป็นแนวทางให้ทีมดำเนินการตรวจสอบผลกระทบนี้ต่อไป "แบบจำลองนี้อาจบอกเราได้อย่างชัดเจนว่าเซลล์ประสาทแต่ละตัวตอบสนองต่อกลิ่นต่างๆ อย่างไร" หว่องกล่าว ความสำเร็จของแบบจำลองชี้ไปที่แหล่งที่มาที่เป็นไปได้ของบล็อกดีโพลาไรเซชัน: ช่องไอออนเฉพาะที่มีอยู่ในเซลล์ประสาททั่วอาณาจักรสัตว์ หากเป็นจริง แสดงว่าเซลล์รับความรู้สึกส่วนใหญ่อาจหยุดทำงานหลังจากการกระตุ้นที่รุนแรงและต่อเนื่อง ทีมงานหวังว่าจะตรวจสอบสมมติฐานนี้ในการศึกษาที่จะเกิดขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น แบบจำลองคาดการณ์ว่าระบบจะทำงานแตกต่างกันโดยเพิ่มขึ้นจากความเข้มข้นของกลิ่นที่ต่ำ เมื่อเทียบกับที่ลดลงจากความเข้มข้นสูง การวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ประสาทของตัวอ่อนยืนยันสิ่งนี้ เมื่อลงไป เซลล์ประสาทไม่ได้เปิดใช้งานใหม่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่มันเงียบลง ในความเป็นจริง ส่วนใหญ่ยังคงเงียบจนกว่าความเข้มข้นของกลิ่นจะกลับลงมาเป็นศูนย์ก่อนที่จะกลับสู่กิจกรรมปกติ ระบบกลิ่นที่ดีขึ้น การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของกลิ่นสูงสามารถยับยั้งตัวรับที่ไวที่สุดได้ ผลลัพธ์ที่ย้อนแย้งนี้ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในความเข้าใจเกี่ยวกับกลิ่นของเรา "เมื่อคุณเพิ่มความเข้มข้นของกลิ่น คุณจะเริ่มรับตัวรับกลิ่นที่ไม่ไวต่อสารประกอบนั้นมากขึ้นเรื่อยๆ" หลุยส์อธิบาย "ดังนั้น มุมมองทั่วไปจนกระทั่งงานของเราคือคุณเพียงแค่เพิ่มตัวรับกลิ่นที่ใช้งานอยู่ในภาพ" สิ่งนี้สมเหตุสมผลจนกว่าคุณจะพิจารณาระบบโดยรวม หากเป็นกรณีนี้ สารประกอบควรเปิดใช้งานตัวรับเกือบทั้งหมดในระดับที่สูงกว่าระดับหนึ่ง Tadres กล่าวว่า "ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่คุณจะแยกแยะความแตกต่างระหว่างสองกลิ่นที่ความเข้มข้นสูงมาก "และนั่นไม่ใช่กรณีอย่างชัดเจน" การมีเซลล์ประสาทรับความรู้สึกบางส่วนหลุดออกไปในขณะที่เซลล์อื่นเข้ามารวมกันอาจช่วยรักษาความแตกต่างระหว่างกลิ่นที่ความเข้มข้นสูงได้ และสิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีความสำคัญต่อการอยู่รอด อาจป้องกันสารพิษและสารอาหารที่มีส่วนประกอบบางอย่างร่วมกันไม่ให้มีกลิ่นเหมือนกันเมื่อคุณสูดดมพวกมันเข้าไปมากๆ นอกจากนี้ยังอาจส่งผลต่อการรับรู้กลิ่นของเรา "เราคาดการณ์ว่าการกำจัดเซลล์ประสาทรับกลิ่นที่มีความไวสูงต่อเนื่องกันนั้นเหมือนกับการถอดรากของคอร์ดดนตรี" หลุยส์กล่าว "การละเว้นรากนี้จะเปลี่ยนวิธีที่สมองของคุณรับรู้คอร์ดที่เกี่ยวข้องกับชุดโน้ต มันจะให้ความหมายที่แตกต่างออกไป" กลิ่นดอกไม้อ่อนๆ บ่งบอกว่าสวนผลไม้อาจกำลังผลิดอกในบริเวณใกล้เคียง ซึ่งเป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์สำหรับสัตว์ที่หิวโหย ในขณะเดียวกัน สารประกอบชนิดเดียวกันที่มีความเข้มข้นสูงกว่าสามารถสร้างความสุกงอมของผลไม้เน่าเสียหรือแม้แต่สิ่งปฏิกูลได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยง การศึกษาเช่นนี้เผยให้เห็นความซับซ้อนมากขึ้นในการรับรู้กลิ่นของเรา ซึ่งพัฒนาขึ้นเพื่อช่วยเราสำรวจภูมิทัศน์ทางเคมีที่ซับซ้อนพอๆ กัน