Imaginez essayer de comprendre comment quelque chose fonctionne quand ce quelque chose se passe dans un espace plus petit qu'un femtolitre :un quadrillionith de litre. Maintenant, deux scientifiques avec un nez pour résoudre des mystères ont utilisé une combinaison de modélisation mathématique, électrophysiologie, et des simulations informatiques pour expliquer comment les cellules communiquent efficacement dans des espaces très restreints tels que les cils olfactifs, où a lieu la détection des odeurs. Les résultats éclaireront les futures études sur la signalisation et la communication cellulaires dans le système olfactif ainsi que dans d'autres espaces confinés du système nerveux.

Auteur de l'étude Johannes Reisert, Doctorat., un physiologiste cellulaire du Centre Monell, commentaires, « Les canaux ioniques et la façon dont leurs courants modifient les concentrations d'ions à l'intérieur des cellules sont notoirement difficiles à étudier. Notre approche basée sur la modélisation nous permet de mieux comprendre non seulement le fonctionnement de l'olfaction, mais aussi la fonction de petites terminaisons nerveuses comme les dendrites, où la pathologie est associée à de nombreuses maladies neurodégénératives."

Dans l'étude, publié en ligne avant impression dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les scientifiques ont demandé pourquoi les cellules réceptrices olfactives communiquent avec le cerveau en utilisant une série d'événements électriques fondamentalement différente de celle utilisée par les cellules sensorielles des systèmes visuel ou auditif.

L'olfaction commence quand, dans un processus similaire à une clé insérée dans une serrure, une molécule chimique en suspension dans l'air traverse le mucus nasal pour se lier à un récepteur olfactif intégré à la paroi d'une cellule nerveuse dans le nez. Les récepteurs olfactifs sont situés sur les cils, structures filiformes ultra-minces allongées de moins de 0,000004 pouces de diamètre, qui s'étendent de la cellule nerveuse dans le mucus.

L'acte de liaison odorant-récepteur initie une cascade moléculaire complexe à l'intérieur de la cellule olfactive, connu sous le nom de transduction, ce qui fait que le nerf envoie un signal électrique pour informer le cerveau qu'une odeur a été détectée.

Le processus de transduction culmine avec l'ouverture de pores appelés canaux ioniques, situé dans la paroi de la cellule nerveuse. Les pores ouverts permettent aux molécules (ions) chargées électriquement positives ou négatives de circuler dans et hors de la cellule. Cela change finalement la charge électrique globale de la cellule à un état moins négatif, c'est ce qui initie le signal de la cellule au cerveau.

La plupart des canaux ioniques sont sélectifs pour un ion spécifique, y compris le sodium chargé positivement (Na ⁺ ) des ions ou du chlorure chargé négativement (Cl ^- ). Le flux d'un ion à travers son canal dans les deux sens génère un courant électrique.

Les cellules réceptrices des systèmes visuel et auditif dépendent des courants ioniques positifs entrants pour déclencher un signal électrique. En revanche, le système olfactif repose également sur des courants d'ions négatifs sortant.

En utilisant plusieurs approches pour développer un modèle testable de transduction olfactive et de courants ioniques, Reisert et son collaborateur, le neuroscientifique computationnel Jürgen Reingruber, Doctorat., de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, ont pu expliquer pourquoi le système olfactif fonctionne différemment.

Les chercheurs ont démontré que s'appuyant sur Cl ^- plutôt que Na ⁺ dans le cadre de la cascade de transduction offre plusieurs avantages qui permettent aux cellules olfactives de répondre aux odeurs de manière plus cohérente.

Une contrainte rencontrée par le système olfactif est que les concentrations de Na ⁺ et d'autres ions positifs dans le mucus en dehors des cellules olfactives varient considérablement en fonction de l'environnement externe du nez. Cela rend difficile pour les cellules olfactives de dépendre de Na d'origine externe ⁺ courants comme une composante fiable de la réponse de transduction.

Les cellules olfactives contrecarrent ce problème en utilisant un Cl ^- courant qui prend naissance à l'intérieur de la cellule, où les concentrations d'ions sont plus stables, faire la cl ^- courant plus fiable dans l'ensemble.

"Imaginez que vous ayez nagé dans l'océan et que votre nez baigne dans de l'eau salée. Cela signifie qu'il y a beaucoup plus de sodium en dehors des cellules olfactives, mais ils doivent pouvoir fonctionner de manière fiable, que vous veniez de nager dans l'océan ou que vous soyez assis dans votre cuisine, " a déclaré Reisert. " Remplacer le Na d'origine externe ⁺ courant avec Cl ^- ions qui se déplacent de l'intérieur de la cellule vers l'extérieur résout ce problème."

Les modèles ont également montré que l'utilisation de l'écoulement vers l'extérieur Cl ^- les courants ioniques permettent aux cellules olfactives de protéger l'espace intracellulaire infinitésimal des cils, c'est là que se produit la transduction olfactive. C'est parce que les ions positifs circulant vers l'intérieur encourageraient l'eau supplémentaire à entrer dans l'espace, pouvant entraîner un gonflement osmotique et des dommages structurels connexes aux cils.

Les résultats expliquent comment le système olfactif est capable de fonctionner de manière fiable malgré les conditions physiques difficiles d'un environnement externe instable et le petit volume ciliaire. Un exemple de la valeur puissante de la science fondamentale, cette approche de modélisation peut maintenant être utilisée pour étudier des questions similaires dans d'autres parties du système nerveux.