Gesundheit

Synthetische Gerüche erstellt durch die Aktivierung der Gehirnzellen helfen Forscher verstehen, wie riechen funktioniert

Wenn Sie etwas erleben mit Ihren Sinnen, die es hervorruft, komplexe Muster der Aktivität in Ihrem Gehirn. Ein wichtiges Ziel in den Neurowissenschaften ist, um zu entschlüsseln, wie diese neuronalen Muster fahren die sinnliche Erfahrung.

Zum Beispiel kann der Duft von Schokolade werden vertreten durch eine einzige Gehirnzelle, Gruppen von Zellen, die feuern alle gleichzeitig oder-Zellen feuern in einigen präzisen symphony? Die Antworten auf diese Fragen führen zu ein größeres Verständnis von, wie unser Gehirn stellen die externe Welt. Sie haben auch Implikationen für die Behandlung von Erkrankungen, bei denen das Gehirn versagt bei der Vertretung der externen Welt: zum Beispiel, in den Verlust des Anblicks der Geruch.

Um zu verstehen, wie das Gehirn Laufwerke sensorische Erfahrung, die meine Kollegen und ich, Fokus auf den Geruchssinn bei Mäusen. Wir Steuern direkt eine Maus, die neuronale Aktivität, die „Erzeugung von synthetischen riecht“ in der olfaktorischen Teil seines Gehirns, um mehr darüber zu erfahren, wie der Geruchssinn funktioniert.

Unsere neuesten Experimente entdeckt, die Düfte sind vertreten durch eine ganz spezifische Muster der Aktivität im Gehirn. Wie die Noten einer Melodie, die Zellen Feuer in einer einzigartigen Sequenz mit bestimmten timing zu vertreten, die Empfindung des Riechens einen einzigartigen Geruch.

Düfte produziert, die durch Licht-Projektionen

Mit Mäusen zu studieren Geruch ist attraktiv für Forscher, da die entsprechenden schaltkreise im Gehirn kartiert haben, und moderne tools ermöglichen es uns, direkt zu manipulieren, diese verbindungen im Gehirn.

Die Mäuse, die wir verwenden, sind gentechnisch verändert, so können wir die Aktivierung der einzelnen Gehirnzellen einfach durch das glänzende Licht von spezifischen Wellenlängen auf Sie – eine Technik, bekannt als die optogenetik. Frühen Verwendung der optogenetik beteiligt light geliefert, die über implantierte optische Fasern, lassen die Forscher die Kontrolle groben Flecken von Gehirnzellen. Neuere Verwendungen der optogenetik erlaubt mehr ausgereifte Steuerung für präzise Muster der Hirnaktivität.

Für unsere Studie, die wir projiziert Lichtmuster auf der Oberfläche des Gehirns, die für eine region, bekannt als der Bulbus. Vorhergehende Forschung hat gefunden, dass bei Mäusen, schnuppern Sie unterschiedliche Düfte, die Zellen in den olfaktorischen bulb erscheinen, um das Feuer in eine Art von gemusterten symphony, mit einem einzigartigen Muster gebildet, die in Reaktion auf jede einzelne Geruch.

Wenn wir geglänzt Licht Muster auf der Maus riechkolben, es erzeugt entsprechende Muster der zellulären Aktivität. Wir nannten diese Muster „synthetische riecht.“ Im Gegensatz zu einem Muster von Aktivität, ausgelöst durch einen Maus-sniffing eine echte Geruch, den wir direkt ausgelöst, der die neuronale Aktivität eines „synthetischen Geruch“ mit unserem Licht-Projektionen.

Als Nächstes trainierten wir jede einzelne Maus zu erkennen, der zufällig generierten synthetischen Geruch. Da können Sie nicht beschreiben, uns in Worten, was Sie wahrnehmen, wir belohnt jeder Maus mit Wasser, wenn es geleckt ein Wasser-Auslauf, sobald es erkannt der Ihr zugewiesenen Geruch. Über Wochen training, Mäuse gelernt zu lecken, wenn Ihre zugeordneten Geruch aktiviert wurde, und nicht zu lecken, die für andere zufällig generierte synthetische riecht.

Wir können nicht sicher sagen, dass diese synthetischen riecht entsprechen alle bekannten Geruch in der Welt, wir wissen auch nicht, was Sie riechen wie die der Maus. Aber haben wir Kalibrieren unsere synthetischen Muster weitgehend ähneln riechkolben Muster beobachtet, wenn die tatsächlichen Düfte vorhanden sind. Darüber hinaus Mäuse lernen zu unterscheiden, synthetischen riecht in etwa so schnell, wie Sie Taten echte riecht.

Tweaking-Muster für einen synthetischen Geruch

Sobald jeder Maus gelernt zu erkennen, die Ihr zugewiesenen synthetischen Geruch, die wir gemessen, wie viel Sie noch geleckt, wenn wir modifizierten die abgetretenen Geruch. Innerhalb jedes synthetische Muster, wir veränderten die Zellen aktiviert wurden oder wenn Sie aktiviert.

Stellen Sie sich vor, ein vertrautes Lied, ändern von einzelnen Noten in dem song, und gefragt, ob Sie noch erkannt, das Lied, nach jeder änderung. Durch das testen viele verschiedene änderungen, man kann schließlich verstehen, die genaue Zusammensetzung der Noten ist wichtig, um den song, der die Identität und die tweaks sind extrem genug, um den song nicht mehr wiederzuerkennen.

https://www.youtube.com/embed/lJ2bof_fWgM?color=white

Ebenfalls durch die Messung, wie Mäuse änderten Ihre lecken als wir verändert Ihre projizierte Licht, Muster, wir waren in der Lage zu verstehen, welche Kombinationen von Zellen innerhalb der Muster waren wichtig für die Ermittlung der synthetischen Geruch.

Die genaue Kombination der Zellen aktiviert war entscheidend. Aber genauso wichtig war, wenn Sie aktiviert sind, in einer geordneten Sequenz, ähnlich wie timed Noten in einer Melodie. Zum Beispiel, ändern Sie die Reihenfolge der Zellen in der Reihenfolge machen würde der Geruch nicht mehr wiederzuerkennen.

Es stellte sich heraus, dass die Zellen vorher aktiviert in der Folge waren mehr wichtig für die Erkennung—die änderung der Sequenzen, die später in das Muster zu haben schien, nur vernachlässigbare Auswirkungen.

Änderungen in der Anerkennung bewertet wurden, und nicht drastisch: Wenn wir verändert kleine Teile des Musters, der Geruch nicht komplett unkenntlich. In der Tat, der Grad, zu dem der Geruch war anerkannt war proportional zum Grad der Veränderung in der Struktur. Dies bedeutet, dass, wenn ich etwas ändern die Aktivität des Gehirns darstellt, eine orange, Sie würde immer noch riechen etwas ähnliches—vielleicht erkennen es als citrus oder fruchtig.

So, während das Gehirn hat sehr große Kapazität zum speichern von vielen verschiedenen Gerüche in der einzigartigen timed Sequenzen von Zell-Aktivität, Sie kann noch erkennen, ähnlich wie Gerüche, die durch die ähnlichkeit in Ihren Strukturen: Der Geruch von Kaffee ist noch deutlich erkennbar, sogar mit einem Hauch von Vanille Hinzugefügt, um es.

Der nächste Schritt in dieser Forschung ist es, den synthetischen Ansatz für die echte riecht. Dazu müssten wir aufzeichnen der Aktivität des Gehirns in Reaktion auf einen wirklichen Geruch, dann reaktivieren Sie das sehr gleiche Zellen mittels optogenetik. Die synthetische Nachbildung von realen Objekten im Gehirn ist der aktuelle Fokus der Forschung in mehreren Labors einschließlich der unsrigen.