Honnan tudja az agy honnan jön egy szag?

A szaglás a legősibb érzékelési mód az állatvilágban, ám ez még nem jelenti azt, hogy az agykutatók mindent tudnának róla. Noha a szagláshoz köthető idegrendszeri folyamatok ismeretanyaga viszonylag nagy, bőven vannak még rejtélyek az érzékelés ezen formájával kapcsolatban. Az egyik például azzal van összefüggésben, hogy a szagok érzékelése gyakran a szag forrásának meghatározásával és felkeresésével folytatódik. A szagok azonban többnyire a levegőben terjednek és a légáramlatok egy változékony „szagfonalat” hoznak létre, amelynek követése komplikált idegrendszeri számításokat feltételez. Egy új kutatás ezen folyamat megértéséhez járult hozzá, ecetmuslicák vizsgálata által.

A szaglás az érzékek egyike, amely segítségével különféle vegyületek jelenlétét érzékelik az állatok. Az ember esetében az orrüreg felső részén található a szaglóhám, amelyben receptorsejtek is megtalálhatók. A receptorsejtek membránjában olyan fehérjék vannak, melyek különféle vegyületek megkötésére képesek. Az adott vegyület kötése hatására térszerkezetváltozás megy végbe a membránfehérjékben, ami jelátviteli útvonalakat aktivál a sejtben és így akciós potenciál kialakulását eredményezi. Az akciós potenciál a receptorról áttevődik a vele kapcsolatban lévő idegsejtre, ami már egy glomerulus nevű struktúrába küldi a hosszú nyúlványát.

A szaglóreceptorok és glomerulusok elrendeződése a szaglórendszerben (Forrás: Lippincott, Williams & Wilkins, 2001).

Egy receptorsejt csak egy típusú receptort fejez ki, ám egy szaganyag több receptort is aktiválhat. A szagok azonosítása azon múlik, hogy milyen kombinációit aktiválják a szaglóreceptoroknak. Mivel a glomerulusokba csak az ugyanazt a receptort kifejező sejtek küldenek nyúlványokat, így a kód a glomerulusok szintjén is azonos. Részben e séma feltárásáért kapott Fiziológiai és orvostudományi Nobel-díjat Linda B. Buck és Richard Axel. Az agykutatók mára annyira átlátják a szaglórendszer működését, hogy nemrég képesek voltak általa mesterséges emléket ültetni egerek agyába. A kísérlet lényege az volt, hogy egy mesterséges szaganyag glomeruláris kódját állították elő úgy, hogy géntechnológiai módszerrel tették fényaktiválhatóvá a megfelelő sejteket. A sejtek aktiválását a félelemért felelős agyterület (mandulamag) szintén mesterséges aktiválásával kötötték össze, így mikor az állat valóban megérezte a szagot, amivel tulajdonképp csak virtuálisan találkozott, megdermedt, ezzel jelezve, hogy emlékszik a kellemetlen asszociációra.

A szagok követése

A szagok érzékeléséről tehát már viszonylag sokat tudnak az idegtudósok, ám a szaglásnak nem pusztán annyi a jelentősége, hogy az épp orra előtt lévő dologról eldöntse az ember, hogy érdemes-e megenni. Az is fontos feladata, hogy a hívogatónak ítélt szagok forrását felfedezhesse és elérhesse a szaglórendszer tulajdonosa. Ezen probléma megoldása azonban közel sem magától értetődő. A baktériumok esetében ismert, hogy hogyan követnek bizonyos vegyületeket, ami lényegében az összetettebb élőlények szaglásának megfeleltethető jelenség. A baktériumok sejtmembránjában a szaglóreceptorokéhoz hasonló fehérjék találhatók, melyek megkötnek bizonyos vegyületeket. A receptorok végső soron egy olyan fehérjét aktiválnak, mely egyébként a sejtet mozgató ostor oldalcsapásának esélyét befolyásolja. A receptoraktiváció tehát fokozza az irány tartásának esélyét. A baktériumok véletlenszerűen meghatározott irányokat tartanak, amíg az adott vegyület jelen van, amint pedig elfogy, gyakrabban fordulnak, így felderítve a környezetüket.

Ez a lehető legegyszerűbb megoldás a szagkövetés problémájára és nem is túl hatékony. Egy emlősnél például nem is valószínű, hogy működhetne, többek között azért sem, mert a levegőben a szaganyagok eloszlása sokkal kaotikusabb, mint a baktériumok mikrokörnyezetében. A levegőben a szagok kiszámíthatatlanabbul terjednek, ezért nem ritka, hogy olyan mintázatok alakulnak ki, amiben egy helyen a szaganyag magas koncentrációban van jelen, majd hirtelen teljesen eltűnik. Éppen ezért pusztán a szaganyag aktuális koncentrációja alapján lehetetlen kitalálni, hogy melyik irányban lehet a szag forrása. Az is ismert, hogy a szagláson kívül a szélirány érzékelése is szerepet játszik abban, hogy az állatok meghatározzák a szagok forrását.

Egy új kutatás során egy amerikai laboratórium azt vizsgálta, van-e más információ, amely segít meghatározni a szagok forrásának irányát az ecetmuslica számára. Korábbi vizsgálatok kimutatták, hogy az állat két antennája egymástól függetlenül képes azonosítani szagokat és a kutatók azt a feltevést vizsgálták, hogy a két antennában végbemenő folyamatok közötti időkülönbségnek lehet-e szerepe az irány meghatározásában. Az ötletet a hangok forrásának meghatározását végző idegrendszeri hálózat modellje adta. E modell lényege, hogy a hallórendszer egy pontján feltételez egy olyan egységet, amelyben a neuronok mindkét hallószervtől kapnak információt. A beidegzés mintázata olyan, hogy a két fülbe eltérő időben érkező jeleket távolságbeli különbségbe fordítja át a rendszer, és így a különböző időbeli eltérések más és más sejteket aktiválnak. Így tehát a hallórendszer ezen pontján az éppen aktív sejt a hang forrásának irányát kódolja.

Hogyan találják meg a szagok forrását a muslicák?

A kutatók tehát arra voltak kíváncsiak, hogy mennyiben befolyásolja a muslicák irányválasztásait, hogy a két antennájuk egy bizonyos időkülönbséggel regisztrálja ugyanazt az ingert. Ennek vizsgálata azonban egyáltalán nem könnyű, hiszen a légnemű vegyületek terjedését szinte lehetetlen tökéletesen kontrollálni. Az ecetmuslica ráadásul szabadon kell mozogjon a légtérben, így pedig teljesen bizonytalan, hogy pontosan mikor érzékeli a szaganyagot.

A problémára a modern géntechnológia nyújtott megoldást, pontosabban az optogenetika. A módszer lényege, hogy fényérzékeny ioncsatorna génjét juttatják be az embrióba. A gént a DNS olyan szakaszába építik be, amely főleg egy bizonyos sejttípusban fejeződik ki, ebben az esetben például a szaglóreceptorokban. A kutatók tehát olyan ecetmuslicákat használtak, amelyekben a szaglóreceptorok fénnyel ingerelhetők voltak, tehát nem kellett szaganyagokkal bajlódni a kísérletek során, hanem fénnyel hoztak létre a valóságban megfigyel szagfonalakhoz hasonló mintázatokat a kísérlethez használt dobozokban. Hogy ne zavarjon be az irányválasztásba, hogy a fényt normálisan a látórendszer is érzékeli, vak állatokat használtak a kísérlethez.

A kísérlet során használt elrendezés vázlata (Forrás: van Breugel és Bunton, 2022).

A kísérlet során tehát egy projektor segítségével hoztak létre fénycsíkokat a dobozban a kutatók, melyeket az ecetmuslicák úgy érzékeltek, mintha szagok lennének. Emellett ventillátorok segítségével a légáramlást is modellezték, így minden ingert reprodukáltak, amely fontos lehet a szagok irányának meghatározásában. A kutatók azt találták, hogy a szagfonalak jellemzői alapján az állatok az antennák segítségével képesek meghatározni a szagok forrásának irányát. Korábbi modellek azt feltételezték, hogy ezen jellemzők kiaknázásához elengedhetetlen valamilyen emlékezeti folyamat, hiszen legalább arra emlékeznie kell az állatnak, hogy legutóbbi mikor találkozott az adott szaganyaggal. Az új eredmények alapján azonban úgy tűnik, hogy egyszerűbb számítással is kivitelezhető a szagforrás meghatározása.

Az tanulmány összességében több szempontból is érdekes. Egyrészt innovatív megközelítést alkalmazott, hiszen végső soron fénnyel modellezte a szagokat. Ezt a modern géntechnológia tette lehetővé, amely feltehetőleg még sok hasonló lehetőséget tartogat az idegrendszer rejtelmeinek feltárására, másrészt a most felvázolt elrendezés is alkalmas lehet a szaglórendszer működésével kapcsolatos ismeretek további elmélyítésére. A kutatás ezen kívül pontosabb képet adott a szaglórendszer egy kevéssé értett funkciójáról, így egy kicsit jobban világosabbá vált az idegrendszer rejtélyes működése.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.