Het activeren van de juiste zenuwcellen in de juiste volgorde veroorzaakte een geurperceptie
Door te bestuderen hoe een muis reageert op een kunstmatige geur (in tegenstelling tot echte kaas, zoals hier te zien), kunnen wetenschappers aanwijzingen krijgen over hoe de hersenen reageren op informatie van de buitenwereld.
Wetenschappers hebben een kunstmatige geur direct in de hersenen van muizen geïmplanteerd. Het betekent niet dat er binnenkort mentale Smell-O-Vision-technologie komt. Maar de resultaten, gepubliceerd op 18 juni Wetenschap, aanwijzingen geven over hoe de hersenen informatie verwerken.
Details over de synthetische geur kunnen helpen bij het beantwoorden van ‘fundamentele vragen over geur’, zegt computationeel bioloog Saket Navlakha van Cold Spring Harbor Laboratory in New York, die niet bij het onderzoek betrokken was. Onderzoek naar de zintuigen biedt een venster op hoe hersenen signalen van de buitenwereld omzetten in percepties en hoe die percepties gedrag kunnen sturen (SN: 18-7-19).
Om kunstmatige geuren in de hersenen van muizen op te bouwen, gebruikten onderzoekers optogenetica, een techniek waarbij licht genetisch gemanipuleerde zenuwcellen prikt om signalen af ​​te vuren (SN: 15-1-10). Neurowetenschapper Dima Rinberg van de Grossman School of Medicine van de New York University en collega’s richtten zich op zenuwcellen in de reukbollen van muizen. Daar organiseren clusters van zenuwuiteinden, glomeruli genaamd, de geursignalen die in de neus worden opgevangen.
Alsof ze een kort liedje op een piano speelden, activeerden Rinberg en collega’s zenuwcellen op zes plaatsen (die elk tussen één en drie glomeruli kunnen bevatten) in een bepaalde volgorde. Deze neurale melodie is ontworpen om een ​​vereenvoudigde versie te zijn van hoe een echte geur die zenuwcellen zou kunnen spelen. (Het is niet bekend hoe de kunstmatige geur naar een muis ruikt.)
Muizen leerden de aanwezigheid van deze kunstmatige geur te signaleren door aan een van de twee tuiten te likken. De synthetische geur bestond niet objectief, maar de muizen gedroegen zich alsof ze het toch rook, vonden de onderzoekers. Na het “ruiken” van de synthetische geur, likten muizen betrouwbaar de juiste tuit. Andere vervormde signalen, ook geleverd door optogenetica, veroorzaakten niet dezelfde reactie.
Samen bouwden de individuele plekken die de onderzoekers stimuleerden de perceptie van de geur op, net zoals een reeks noten een melodie maakt. Omdat de geur echter volledig synthetisch was, konden onderzoekers ermee knoeien. Door enkele van de signalen die de kunstmatige geur opwekken enigszins te veranderen, konden de onderzoekers testen welke eigenschappen van de sequentie belangrijk waren en welke veranderingen de geur onherkenbaar maakten.
Het begin van de geurreeks leek de sleutel te zijn. Toen de onderzoekers de volgorde van de activiteit van de eerste paar plekken verwisselden, hadden de muizen meer moeite met het identificeren van de geur dan wanneer de vlekken aan het einde van de sequentie werden veranderd. En vertragingen aan het begin waren belangrijker dan vertragingen aan het einde. ‘Als je de eerste paar noten aanpast, verpest je het lied gemakkelijker’, zegt Rinberg.
Dit resultaat ondersteunt een idee dat het primacy-effect wordt genoemd en dat stelt dat de neurale signalen die het eerst in een reeks komen zwaarder wegen, zegt Tatyana Sharpee, een computerneurowetenschapper bij het Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Californië, die niet bij de studie betrokken was.
Meer in het algemeen bieden deze resultaten een voorbeeld van hoe veranderingen in neurale activiteit een perceptie kunnen beïnvloeden, zegt Sharpee. ‘Uiteindelijk duidt dit op de fundamentele eigenschappen van de neurale code.’
Sharpee vermoedt dat vergelijkbare eigenschappen van toepassing kunnen zijn op andere soorten informatie die door de hersenen wordt verwerkt, waaronder zicht- en gehoorsignalen, en misschien zelfs op meer complexe taken zoals geheugen. Dergelijke processen zijn allemaal afhankelijk van dezelfde basistransformatie, zegt ze – ‘een algemeen wiskundig probleem van het coderen van inputs naar outputs’. Op deze manier nemen de hersenen inkomende informatie over de wereld op en hechten deze aan nuttige waarnemingen.
Naast het volgen van de synthetische geuren naar andere delen van de hersenen, willen Rinberg en zijn collega’s testen of vergelijkbare regels van toepassing zijn op echte geuren. ‘Een synthetische geur is fantastisch. Het is een super interessante tool ‘, zegt Rinberg. ‘Maar aan het eind van de dag wil ik weten hoe geurtjes in de hersenen ontstaan.’
