想象一下当一个物体发生在一个小于飞升的空间里，也就是千分之一升的空间里时，它是如何运作的？现在，两名擅长解决谜题的科学家将数学建模、电生理学和计算机模拟结合起来，解释了细胞如何在嗅觉纤毛等高度狭窄的空间进行有效沟通。嗅觉纤毛是嗅觉探测的场所，这一发现将为未来的研究提供信息，包括嗅觉系统和神经系统其他受限区域的细胞信号和通信。这项研究的作者，莫奈尔中心的细胞生理学家Johannes Reisert博士评论说：离子通道以及电流是如何改变细胞内离子浓度是出了名的难研究。基于模型的方法使我们不仅能更好地理解嗅觉是如何工作，还能更好地理解小神经末梢(如树突)的功能。
博科园-科学科普：而这些小神经末梢的病理与许多神经退行性疾病有关。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。科学家们在研究中提出了一个问题，为什么嗅觉受体细胞与视觉或听觉系统中的感觉细胞相比，使用一系列完全不同的电活动与大脑进行交流。嗅觉开始的过程类似于钥匙插入锁中，空气中的化学分子通过鼻腔黏液与鼻腔内神经细胞壁上的嗅觉受体结合。嗅觉感受器位于纤毛上，纤毛是超薄细长的线状结构，直径小于0.000004英寸，从神经细胞延伸到黏液中。气味受体结合的行为在嗅觉细胞内启动了一个复杂的分子级联，称为转导，这导致神经发送一个电信号告诉大脑气味已经被检测到。
莫奈尔中心(Monell Center)的细胞生理学家赖塞特(Reisert)喜欢解决嗅觉生理学中的重大问题。图片：Paola Nogueras/Monell Center
传导过程以位于神经细胞壁的离子通道孔的打开而达到顶峰。这些开孔使正电荷或负电荷分子(离子)进出细胞。这最终会将细胞的总电荷改变为较少的负电荷状态，而负电荷状态正是细胞向大脑发出信号的初始状态。大多数离子通道对特定的离子具有选择性，包括带正电荷的钠离子(Na+)或带负电荷的氯离子(Cl-)。离子在两个方向上通过通道时，都会产生电流。视觉和听觉系统中的受体细胞都依赖于向内流动的正离子电流来产生电信号。相反，嗅觉系统也依赖于向外流动的负离子电流。Reisert和他的合作者，来自巴黎高等师范学院的计算神经科学家Jurgen Reingruber博士，通过使用多种方法开发了一种可测试的嗅觉传导和离子电流模型，他们能够解释为什么嗅觉系统功能不同。
研究人员证明，依赖Cl-而不是Na+作为传导级联的一部分提供了几个优势，使嗅觉细胞能够更一致地对气味作出反应。嗅觉系统面临的一个限制是，嗅觉细胞外黏液中Na+和其他阳离子的浓度随着鼻子外部环境的变化而发生显著变化。这使得嗅觉细胞很难依赖外部产生的Na+电流作为传导反应的可靠组成部分。嗅觉细胞利用来自细胞内部的Cl-电流来抵消这一问题，在细胞内离子浓度更稳定，使Cl-电流整体上更可靠。想象你一直在海里游泳，你的鼻子泡在盐水里。这意味着嗅觉细胞外有更多的钠，但无论你是刚刚在海里游泳还是坐在厨房里，它们都必须能够可靠地发挥作用。
用从细胞内移动到细胞外的Cl离子取代外部产生的Na+电流，解决了这个问题。这些模型还表明，利用向外流动的Cl-离子流，嗅觉细胞能够保护纤毛细胞内极小的空间，而纤毛正是嗅觉传导发生的地方。这是因为内向流动的阳离子会促使更多的水进入这个空间，可能导致渗透性肿胀和纤毛相关的结构损伤。这些发现解释了嗅觉系统如何能够在不稳定的外部环境和较小纤毛体积的物理条件下可靠地工作。作为基础科学强大价值的一个例子，这种建模方法现在可以用于研究神经系统其他部分的类似问题。
博科园-科学科普｜研究/来自：Monell Chemical Senses Center
参考期刊文献:《美国国家科学院院刊》
论文DOI：doi.org/10.1073/pnas.1816371116
