viernes, 4 de agosto de 2017

La neurociencia del olor. Una perspectiva


El descubrimiento de una gran familia de receptores que detectan el olor finalmente resolvió el gran misterio de cómo nuestro cerebro percibe los olores.




Olfactory bulbs
Esta imagen puede parecer una máscara de carnaval,
pero en realidad muestra las estructuras clave que los ratones,
y por extensión,  todos los mamíferos, utilizan cada vez que registran un olor.
 La "boca" en la imagen representa la cavidad nasal en un ratón en desarrollo,
que está revestida con células especializadas en detección de olores (en verde).
Cuando el animal respira, las moléculas de olor aerotransportadas por el aire activan estas células,
 que luego envían su señal a los bulbos olfatorios, los "ojos" en esta imagen.
 Imagen de Memi, et al. Revista de Neurociencia, 2013.



El olfato evoca recuerdos poderosos. Sin embargo, era el más enigmático de nuestros sentidos hasta que los investigadores descubrieron una gran familia de proteínas que detectan los olores. La comprensión de estas proteínas ha revelado la naturaleza primigenia del olfato, ha abierto una ventana a la detección de los trastornos neurodegenerativos, y ha dado a conocer una clase de sensores químicos en todo el cuerpo.


El descubrimiento


El aroma de galletas recién horneadas o el aroma de una rosa pueden evocar recuerdos intensos. Para los animales, el sentido del olfato ejerce una poderosa influencia sobre los comportamientos básicos que incluyen comer, aparearse y evitar el peligro. Pero, a pesar de su naturaleza básica para la supervivencia de los seres vivos, el sentido del olfato siguió siendo un enigma hasta hace muy poco.

Nuestros sentidos nos permiten detectar los cambios físicos que nos rodean y percibir la naturaleza de nuestro mundo. Para la vista, la percepción comienza con la retina que detecta la luz, pero realmente ver un coche que avanza hacia nosotros requiere que el cerebro reciba las señales de la retina y las procese rápidamente. Que el coche se perciba como verde es el resultado del procesamiento por el cerebro de las señales transmitidas por las células sensoriales en el ojo capaces de detectar sólo tres colores primarios.

Siglos de experimentación culminaron en un experimento de 1965 que demostró el papel de las células "cono" en la visión del color. Como resultado, los científicos postularon que, de manera similar a como vemos, las neuronas olfatorias que detectan los olores podrían recoger unos cuantos olores "primarios" que el cerebro luego convertiría en el gran número de olores que podemos detectar.

Probar  que la suposición era equivocada requirió un gran avance tecnológico. A finales de los ochenta, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) revolucionó la biología molecular proporcionando una manera de replicar pequeñas cantidades de material genético para estudiarlas. Richard Axel y Linda Buck emplearon PCR para buscar receptores odorantes.

Razonaron que los receptores del olor podrían pertenecer a una familia grande y diversa de proteínas receptoras encontradas en otros tejidos del cuerpo, pero sólo buscaron esas proteínas en las neuronas sensoriales de la nariz. Axel y Buck exploraron el material genético contenido en las neuronas olfativas de ratas buscando secuencias similares a las que codifican a la familia de receptores. En 1991, aislaron 18 genes receptores únicos que eran miembros de esta familia, pero sólo se encontraban en neuronas sensoriales olfativas. Esos 18 fueron los primeros de lo que resultó ser un conjunto de más de 1000 genes que codifican sensores de olor en roedores, más comúnmente denominados hoy receptores olfativos. Por su trabajo, Axel y Buck recibieron el Premio Nobel 2004 de Medicina.


Conocimiento más profundo


Con los receptores olfativos en la mano, los investigadores de todo el mundo comenzaron el trabajo de entender cómo podemos discernir la diferencia entre moléculas de olor notablemente similares. En 2002, ya se había establecido que los receptores representaban una "super familia" de más de 1.000 proteínas individuales. Sin embargo, esos números no podían explicar todos los olores que percibimos en nuestro mundo si cada receptor detectara sólo un olor particular.

En 1999, la comunidad científica sabía que cada receptor podría detectar, de hecho, múltiples moléculas que difieren ligeramente entre sí. Esa habilidad aumentó grandemente el número de olores detectables, pero no bastante para explicar completamente nuestra capacidad para oler multitud de  olores.

El descubrimiento de que los receptores individuales pueden responder a muchas moléculas diferentes fue la clave para entender cómo un número limitado de receptores nos permite detectar y discernir un gran número de olores. Además, cualquier molécula de olor activa múltiples receptores olfativos.



A diagram of the olfactory system, identifying key regions including cilia, receptor cells, and the olfactory bulb.
Un diagrama del sistema olfativo, identificando las regiones claves incluyendo los cilios, las células receptoras y el bulbo olfatorio. Las moléculas olorosas  en el aire son recogidas por los receptores expresados en los cilios de las células receptoras. Estas células envían información al bulbo olfatorio en el cerebro, donde se procesa la sensación del olor.
 Imagen de istockPhoto



Percibir el olor comienza en los receptores olfativos de la nariz y termina en el cerebro. Cada olor activa una combinación específica de neuronas olfativas, que el cerebro decodifica como un aroma particular. Esta codificación "combinatoria" nos permite detectar muchos más olores que los receptores específicos. Cada olor químico desencadena su propio patrón único de actividad neuronal, que conduce a nuestra percepción de un olor particular.




This image shows two types of neurons (pictured in red) — located in the medial amygdala of a mouse — which are involved in the emotional processing of odor information. While both types receive scent information, they communicate this information to different cells — which is reflected in their projections. The cell on the top-left relays information to the hypothalamus some distance away, a brain region important in reproductive and defense behaviors. The bottom-right cell communicates with nearby neurons to dampen the signals they send. Together, these cells help the animal to know whether to prepare for courtship or to flee for safety.
Esta imagen muestra dos tipos de neuronas (representadas en rojo) - localizadas en la amígdala medial de un ratón - que están involucradas en el procesamiento emocional de la información de olores. Aunque ambos tipos reciben información de olor, cada una de ellas comunica esta información a diferentes núcleos neuronales, lo que se refleja en sus proyecciones. La célula en la parte superior izquierda transmite información al hipotálamo a cierta distancia, una región del cerebro importante en los comportamientos reproductivos y de defensa. La célula inferior derecha se comunica con las neuronas cercanas para amortiguar las señales que envían. Juntas, estas células ayudan al animal a saber si prepararse para el cortejo o para la huida. Imagen de  Keshavarzi, et al. Journal of Neuroscience, 2014.


Buck, Axel y otros estudiaron la organización de las neuronas sensoriales en el epitelio olfativo -el tejido nervioso dentro de la nariz- que ayudó a describir cómo la información fluye de la nariz al cerebro. Describieron cómo esas neuronas sensoriales se comunican con sus objetivos - neuronas en una estructura cerebral llamada bulbo olfativo - y cómo la información se transmite a estaciones de relevo superiores, como la corteza olfativa.

Es más, las señales del olor se  irradian a las regiones más profundas del cerebro, incluyendo la amígdala y el hipocampo, áreas críticas para la emoción y la memoria - una razón de por qué un olor puede evocar sentimientos tan poderosos.


Implicaciones para la salud


En el momento en que atrapamos un olor a hierba recién cortada, las neuronas olfativas en nuestras narices entran en acción enviando señales eléctricas en un viaje a través de nuestros cerebros. La primera parada son los centros olfativos donde se transforman en lo que percibimos como olor. A medida que las señales viajan a regiones más profundas del cerebro, pueden desencadenar emociones y recuerdos a medida que llegan a la amígdala y al hipocampo.

Aunque uno podría sobrevivir en el mundo moderno sin el sentido del olfato, perderlo puede señalar algo más pernicioso en el cerebro. Los pacientes con algunos trastornos neurodegenerativos, incluyendo la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson, con frecuencia tienen dificultades para detectar e identificar olores. Estos problemas surgen mucho antes de que sus recuerdos se deterioren o desarrollen temblores. Los estudios indican que el déficit de olor entre los adultos mayores sanos puede predecir el deterioro cognitivo posterior o la enfermedad de Parkinson.

Los investigadores continúan explorando por qué ocurre esto con el fin de desarrollar diagnósticos tempranos y terapias potencialmente nuevas dirigidas a la causa subyacente del daño.

Aunque la gran mayoría de los receptores olfatorios sólo existen en la nariz, los científicos han encontrado algunos receptores en otros tejidos incluyendo los pulmones, los riñones, la piel, el corazón, el músculo, el colon y el cerebro. Como resultado, los científicos están comenzando a postular que sirven no sólo como receptores del olfato sino como sensores químicos más generales. El esperma, por ejemplo, utiliza la señal de los receptores olfativos para navegar a los huevos no fertilizados. En los riñones, ayudan a los ratones a regular la presión sanguínea. Los pulmones utilizan receptores olfativos para detectar sustancias químicas nocivas y contraer las vías respiratorias.

Los investigadores también han comenzado a explorar cómo los receptores olfativos en todo el cuerpo pueden posiblemente facilitar los efectos de ciertos fármacos.

El descubrimiento de los receptores olfatorios abrió una ventana a nuestro sentido del olfato conduciéndonos potencialmente  a una mejor comprensión de la señalización química en todo el cuerpo. A través de la investigación continua, los científicos pueden encontrar nuevos roles para los receptores olfativos, así como nuevas oportunidades para diagnosticar y tratar enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer y Parkinson.

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