Un nuevo modelo de cómo el cerebro percibe olores únicos
Vijay Balasubramanian. Crédito: Universidad de Pensilvania
Un estudio publicado en PLOS Computational Biology describe un nuevo modelo de cómo el sistema olfativo distingue olores únicos. Investigadores de la Universidad de Pensilvania descubrieron que un modelo simplificado basado en estadísticas puede explicar cómo los olores individuales pueden percibirse como más o menos similares a los de otros según el contexto. Este modelo proporciona un punto de partida para generar nuevas hipótesis y realizar experimentos que pueden ayudar a los investigadores a comprender mejor el sistema olfativo, una parte compleja y crucial del cerebro.
El sentido del olfato, aunque es crucial para cosas como el gusto y la prevención de peligros, no está tan bien estudiado como otros sentidos. El coautor del estudio, Vijay Balasubramanian, un físico teórico interesado en cómo los sistemas vivos procesan la información, dice que el olfato es un excelente ejemplo de un complejo sistema de procesamiento de información que se encuentra en la naturaleza, ya que hay muchos más tipos de moléculas volátiles en la escala de decenas o cientos de miles de tipos de receptores en la nariz para detectarlos, en la escala de decenas a cientos dependiendo de la especie.
«Cada molécula puede unirse a muchos receptores, y cada receptor puede unirse a muchas moléculas, por lo que obtienes esta mezcla combinatoria, con la nariz codificando olores de una manera que involucra muchos tipos de receptores para decirte colectivamente qué es un olor», dice Balasubramanian. «Y debido a que hay muchos menos tipos de receptores que especies moleculares, básicamente tienes que comprimir un espacio olfativo de dimensiones muy altas en un espacio de respuestas neuronales de dimensiones mucho más bajas».
Experimentos anteriores han encontrado que el contexto juega un papel importante. papel clave en la navegación de este espacio de alta dimensión, con contexto que se refiere a resultados, ubicaciones, comportamientos o actividades específicos, como oler un lote de galletas horneadas y luego comer una poco después. «Si experimenta olores en un contexto similar, incluso si inicialmente fueron bastante diferentes en las respuestas que evocaron en la nariz, comienzan a estar representados por respuestas neuronales similares, por lo que se vuelven iguales en su cabeza», dice Balasubramanian.
Pero desarrollar teorías y modelos que describen cómo puede cambiar la percepción del olor dependiendo del contexto ha sido un desafío porque incorporar las complejidades del cerebro es difícil. En este estudio, Balasubramanian, Gaia Tavoni, ex postdoctorado en la Iniciativa de Neurociencia Computacional de Penn y ahora profesor asistente en la Universidad de Washington en St. Louis, y David E. Chen Kersen, MD-Ph.D. estudiante de Penn, probó un enfoque más simple que incorporaba retroalimentación aleatoria no estructurada entre el cerebro central y el bulbo olfativo.
«Imagínese que cada contexto proporciona algún tipo de patrón aleatorio de retroalimentación, y luego estos patrones aleatorios son hacia adelante en el cerebro central. Nos preguntamos si las estadísticas de aleatoriedad podrían producir los tipos de convergencia y divergencia en la representación neuronal de los olores que se ven experimentalmente», dice Balasubramanian.
Para encapsular tanta complejidad en su modelo como sea posible, los investigadores combinaron dos enfoques. Uno es más típico del trabajo en física e implica descomponer un sistema en solo sus características esenciales para hacer cálculos y comprender los principios clave. El otro está más alineado con los métodos de la biología e incorpora tantas entradas conocidas como sea posible, que aquí incluían datos sobre la anatomía y fisiología del cerebro, la dinámica del canal de iones de las neuronas, micrografías electrónicas y la geometría 3D detallada del bulbo olfativo.
«Hubo esta hermosa interacción, con la teoría guiando el modelo mecanicista y el modelo mecanicista desarrollando la teoría. Este fue un muy buen ejemplo de diferentes enfoques que se juntaron: el modelo mecanicista clásico y detallado versus un modelo basado en principios, ecuaciones basado en el modelo, y ambos estaban interactuando», dice Balasubramanian.
Los investigadores descubrieron que su modelo simplificado podría usarse para reproducir los mismos tipos de resultados observados en los experimentos de olfato. Es algo que Balasubramanian no esperaba ver, ya que pensó que un proceso tan complejo requeriría «aprendizaje y plasticidad» para adaptar y cambiar las sinapsis neuronales para modificar la representación de los olores en el cerebro. «Es posible que hayamos encontrado una estrategia general de usar ciertos tipos de señales aleatorias para arrastrar esos efectos», dice sobre sus resultados. «No tiene que ser solo el olfato; también puede ser en otro lugar».
En el futuro, los investigadores esperan conectar los resultados de su modelo estadístico con los resultados experimentales. Un área específica de interés es cómo el aumento de la excitabilidad cortical, que ocurre en ciertas afecciones neurológicas como la enfermedad de Alzheimer, afecta la forma en que se perciben los diferentes olores. Además, contar con este tipo de modelos y teorías también podría ayudar a los investigadores a comprender mejor el deterioro del olfato después de la COVID-19.
«Las buenas teorías y modelos abren nuevas vías de investigación y es mucho más fácil explorar al principio in silico», dice Balasubramanian.
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Los científicos brindan nuevos conocimientos sobre cómo la nariz se adapta a los olores Más información: Gaia Tavoni et al, Retroalimentación cortical y activación en la discriminación y generalización de olores, PLOS Computational Biology (2021) ). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009479 Información de la revista: PLoS Computational Biology
Proporcionado por la Universidad de Pensilvania Cita: Un nuevo modelo de cómo el cerebro percibe olores únicos (2021, 1 de noviembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-brain-unique-odors.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.