Imagine tentar descobrir como algo funciona quando esse algo ocorre em um espaço menor do que um femtolitro:um quatrilhão de litro. Agora, dois cientistas com faro para resolver mistérios usaram uma combinação de modelagem matemática, eletrofisiologia, e simulações de computador para explicar como as células se comunicam de forma eficaz em espaços altamente restritos, como os cílios olfativos, onde ocorre a detecção de odores. As descobertas servirão de base para estudos futuros de sinalização e comunicação celular no sistema olfatório e também em outros espaços confinados do sistema nervoso.

Autor do estudo Johannes Reisert, Ph.D., um fisiologista celular do Monell Center, comentários, "Os canais de íons e como suas correntes mudam as concentrações de íons dentro das células são notoriamente difíceis de estudar. Nossa abordagem baseada em modelagem nos permite entender melhor não apenas como o olfato funciona, mas também a função de pequenas terminações nervosas, como dendritos, onde a patologia está associada a muitas doenças neurodegenerativas. "

No estudo, publicado online antes da impressão no Proceedings of the National Academy of Sciences , os cientistas perguntaram por que as células receptoras olfativas se comunicam com o cérebro usando uma série de eventos elétricos fundamentalmente diferente daquela usada pelas células sensoriais nos sistemas visual ou auditivo.

Olfato começa quando, em um processo semelhante a um encaixe de chave em uma fechadura, uma molécula química transportada pelo ar viaja através do muco nasal para se ligar a um receptor olfativo embutido na parede de uma célula nervosa dentro do nariz. Os receptores olfativos estão localizados nos cílios, estruturas alongadas superfinas semelhantes a fios com menos de 0,000004 polegadas de diâmetro, que se estendem da célula nervosa para o muco.

O ato de ligação odorante-receptor inicia uma complexa cascata molecular dentro da célula olfativa, conhecido como transdução, o que resulta no nervo enviando um sinal elétrico para informar ao cérebro que um odor foi detectado.

O processo de transdução culmina com a abertura de poros chamados canais iônicos, localizado na parede da célula nervosa. Os poros abertos permitem que moléculas (íons) carregadas eletricamente positivas ou negativas fluam para dentro e para fora da célula. Em última análise, isso muda a carga elétrica geral da célula para um estado menos negativo, que é o que inicia o sinal da célula para o cérebro.

A maioria dos canais iônicos são seletivos para um íon específico, incluindo sódio carregado positivamente (Na ⁺ ) íons ou cloreto carregado negativamente (Cl ^- ) O fluxo de um íon através de seu canal em qualquer direção gera uma corrente elétrica.

As células receptoras nos sistemas visual e auditivo dependem de correntes de íons positivos que fluem para dentro para eliciar um sinal elétrico. Em contraste, o sistema olfativo também depende de correntes de íons negativos que fluem para fora.

Ao usar várias abordagens para desenvolver um modelo testável de transdução olfativa e correntes de íons, Reisert e seu colaborador, o neurocientista computacional Jürgen Reingruber, Ph.D., da Ecole Normale Supérieure em Paris, conseguiram explicar por que o sistema olfativo funciona de maneira diferente.

Os pesquisadores demonstraram que confiar em Cl ^- ao invés de Na ⁺ como parte da cascata de transdução, oferece várias vantagens que permitem que as células olfativas respondam aos odores de forma mais consistente.

Uma restrição enfrentada pelo sistema olfativo é que as concentrações de Na ⁺ e outros íons positivos no muco fora das células olfatórias variam dramaticamente em função do ambiente externo do nariz. Isso torna difícil para as células olfativas dependerem do Na de origem externa ⁺ correntes como um componente confiável da resposta de transdução.

As células olfativas neutralizam esse problema usando um Cl ^- corrente que se origina dentro da célula, onde as concentrações de íons são mais estáveis, fazendo o Cl ^- atual mais confiável em geral.

"Imagine que você tenha nadado no oceano e seu nariz esteja banhado em água salgada. Isso significa que há muito mais sódio fora das células olfativas, mas eles precisam ser capazes de funcionar de forma confiável, quer você tenha acabado de nadar no oceano ou esteja sentado em sua cozinha, "disse Reisert." Substituindo o Na de origem externa ⁺ atual com Cl ^- íons que se movem de dentro para fora da célula resolvem esse problema. "

Os modelos também mostraram que usando o Cl fluindo para fora ^- as correntes de íons permitem que as células olfativas protejam o espaço intracelular infinitesimal dos cílios, que é onde ocorre a transdução olfativa. Isso ocorre porque íons positivos fluindo para dentro encorajariam água extra a entrar no espaço, potencialmente resultando em edema osmótico e dano estrutural relacionado aos cílios.

Os resultados explicam como o sistema olfatório é capaz de funcionar de forma confiável, apesar das condições físicas desafiadoras de um ambiente externo instável e do pequeno volume ciliar. Um exemplo do poderoso valor da ciência básica, esta abordagem de modelagem pode agora ser usada para investigar questões semelhantes em outras partes do sistema nervoso.