光学技术揭示了哺乳动物嗅觉编码的意想不到的复杂性
由冷泉港实验室(CSHL)的神经科学家共同领导的一个团队，揭示了哺乳动物嗅觉系统的基本回路，让我们对该系统如何实现一些最惊人的壮举有了新的认识。
长期以来，人们从行为实验中了解到，例如，啮齿类动物可以通过一次嗅嗅来区分两种非常相似的气味。但在这种情况下，从鼻子的感觉神经元到鼻子的特殊细胞的“线路”到底发生了什么嗅球收集信号并将其传输到大脑?这是如何在一个呼吸周期的短暂时间内发生的——一次吸气和一次呼气?
CSHL的科学家们与哈佛大学和印度班加罗尔国家生物科学中心的研究人员合作，用一种新的方法来探索这个问题，他们收集的证据表明，老鼠的嗅球并不像许多人认为的那样仅仅是鼻子和大脑之间的中继站。他们的数据今天发表在自然神经科学的研究表明，“离开嗅球(到达大脑皮层)的信息输出通道比从鼻子的感觉感受器进入的信息类型多得多”。
当研究小组用光束激活嗅球内高度特化的细胞，作为测量单个呼吸周期中嗅球的电活动的前哨时，这种感觉编码的复杂性变得明显起来。研究小组推测，这种复杂性可能有助于大脑快速地做出高度准确的气味区分。
用光束追踪电路
研究的第一步涉及到使用基因工程来培育一组老鼠，这些老鼠的感觉神经元表达了一种从一种藻类中借来的基因，当光束聚焦在它们身上时，它们就会发光。这种藻类基因表达一种叫做通道视紫红质-2 (ChR2)的光感受器蛋白。
“当我还在哈佛的时候，在Venki Murthy的小组里，我们就这样做了，以克服过去限制嗅觉回路测量的一个问题，”CSHL新任命的助理教授Florin Albeanu博士说，他共同领导了这项研究。“以前，我们尝试将电极插入老鼠的嗅球。这有点像盲目飞行——你可以记录你碰巧击中的任何细胞的电活动，但你无法控制你将从哪些细胞进行记录。三年前，我在CSHL的高级成像方法课程上遇到了Ashesh dawale，我决定使用光刺激感觉神经元结合灯泡输出神经元的电记录来解决这个问题。”
Albeanu、dawale和同事们想要监测的细胞被称为二尖瓣细胞。当鼻腔上皮细胞的神经元感知到气味时，这些特化细胞是向老鼠皮层发送信息的最后“广播”站。每一个感觉神经元都专门用来表达一种单一的分子气味感受器类型，这种感受器来自老鼠嗅觉调色板上的大约1500种气味感受器。具有相同敏感度的细胞将信号报告给老鼠嗅球中的一个专门的球形单元——字面上是一个突触球。这些收集站叫做肾小球。
每一个肾小球都有大约15000个轴突进入它们，每个轴突依次通过初级树突向二尖瓣细胞发出信号。一个肾小球可能连接多达30个二尖瓣细胞，所有的二尖瓣细胞也都位于嗅球内。二尖瓣细胞也有次生树突，这种纤维通过相互间的突触将它们连接到抑制性局部中间神经元。通过用微小光束直接激活嗅球中的肾小球，研究小组能够以极高的特异性识别二尖瓣细胞。
解释“姐妹”细胞的同步和不同步
他们能够锁定并记录二尖瓣细胞的电信号(动作电位)，他们称之为“姐妹细胞”，它们的平均反应非常相似。这是有道理的，因为姐妹细胞，根据定义，从同一肾小球通过初级树突接收信息。科学家们还能够识别和监测“非姐妹”二尖瓣细胞的活动，这两种细胞的发射活动从根本上是不同的，因为它们的肾小球所报告的气味有较大的反差。
通过这种方式获得的电记录中，最有趣和令人惊讶的发现可能是二尖瓣姐妹细胞，尽管它们连接到同一个肾小球，但当老鼠闻到肾小球有反应的气味时，它们并没有多余的反应。事实上，Albeanu说，“我们观察到气味使二尖瓣姐妹细胞对失同步。这是我们没有预料到的。”
怎么解释呢?研究小组根据对许多姐妹和非姐妹二尖瓣细胞活动记录的比较形成了一个假设。根据Albeanu的说法，“我们想到了两个活动指标来比较姐妹和非姐妹。一种是比较细胞在单个呼吸周期内燃烧的次数;另一项是比较它们发出“尖峰”的间隔时间，更具体地说，是它们相对于呼吸循环开始的时间点。
Albeanu说:“换句话说，我们观察了它们的放电速率，并在相同的细胞中，将其与姐妹细胞和非姐妹细胞的放电时间进行比较。”研究小组发现，在姐妹细胞中，当一个姐妹细胞的放电速率发生变化时，另一个姐妹细胞也会以类似的方式发生变化。但他们开火的时间不同——不是同时开火，而是不同步开火。
Albeanu说:“这让我们相信，两种类型的代码被利用了——就好像二尖瓣细胞能够向皮层传递两种不同的信息，它们通过在同一信息中复用速率和时间代码来实现这一点。”
更多的信息=更准确的气味表征?
研究小组推测，这些独立的通道可能向大脑传递两种不同的东西。他们说，放电速率的变化反映了来自姐妹共享的肾小球的信息。这一非常具体的信息伴随着一个独立的信息，该信息可能反映姐妹共享的特定肾小球的一般区域或“周围”的肾小球的平均输出。这是通过二尖瓣之间的侧连接交换信息的产物细胞发射的延迟时间不同，科学家称之为延迟。Albeanu说，通过这两个通道向大脑皮层发送信息“会给大脑皮层更多的信息，用来区分已经感知到的气味。”
在未来的研究中，科学家们计划系统地探索改变气味浓度对他们已经观察到的速率和时间特性的影响。他们也已经开始使用他们创造的具有光敏嗅觉的鼠标线感觉神经元在行为研究中，可能会揭示在嗅球水平上是什么时空规则控制着气味编码。
