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A delicada fragrância do jasmim é um deleite para os sentidos. O aroma doce é popular em chás, perfumes e pot-pourri. Mas sinta o cheiro do óleo essencial concentrado e o aroma agradável torna-se quase enjoativo. De fato, parte do cheiro da flor vem do composto escatol, um componente proeminente do odor fecal.
Nosso olfato é claramente um processo complexo; envolve centenas de receptores odorantes diferentes trabalhando em conjunto. Quanto mais um odor estimula um determinado neurônio, mais sinais elétricos esse neurônio envia ao cérebro. Mas pesquisadores da UC Santa Barbara descobriram que esses neurônios realmente ficam em silêncio quando um odor sobe acima de um certo limite. Notavelmente, isso foi essencial para o modo como o cérebro reconhecia cada cheiro. “É um recurso; não é um bug”, disse Matthieu Louis, professor associado do Departamento de Biologia Molecular, Celular e do Desenvolvimento.
A descoberta paradoxal, publicada em Avanços da Ciência, abala nossa compreensão do olfato. “O mesmo odor pode ser representado por padrões muito diferentes de neurônios sensoriais olfativos ativos em diferentes concentrações”, disse Louis. “Isso pode explicar por que alguns odores podem ser percebidos como muito diferentes para nós em concentrações baixas, médias e muito altas. Considere, por exemplo, o cheiro de uma banana madura à distância (doce e frutado) versus de perto (intenso e artificial) .”
Os seres humanos têm vários milhões de neurônios sensoriais em nossos narizes, e cada um deles possui um tipo de receptor odorante. Ao todo, temos cerca de 400 tipos diferentes de receptores com sensibilidade sobreposta. Cada composto químico é como um sapato diferente que o receptor está experimentando. Alguns sapatos se encaixam perfeitamente, alguns se encaixam bem, enquanto outros não se encaixam. Um ajuste melhor produz uma resposta mais forte do receptor. Aumentar a concentração de um odor recruta neurônios com receptores menos sensíveis a essa substância. Nosso cérebro usa a combinação de neurônios ativados para distinguir os odores.
Os cientistas pensaram que os neurônios efetivamente atingiriam o máximo acima de certas concentrações de odor, ponto em que sua atividade atingiria um platô. Mas a equipe liderada pelo aluno de pós-graduação de Louis, David Tadres, descobriu exatamente o oposto: os neurônios realmente ficam silenciosos acima de um certo nível, com os mais sensíveis caindo primeiro.
Um modelo simples
As larvas da mosca da fruta são um modelo ideal para o estudo do olfato. Eles têm tantos tipos de receptores olfativos quanto o número de neurônios sensoriais – ou seja, 21. Essa correspondência de um para um torna simples testar o que cada neurônio está fazendo.
Para o estudo, Tadres examinou larvas com uma mutação que eliminava totalmente o olfato. Ele então ativou seletivamente esse sentido em um único neurônio sensorial, permitindo que as larvas detectassem apenas odores que ativassem aquele receptor específico. Ele os colocou perto de uma fonte de odor e observou.
Mesmo com um único canal olfativo funcionando, as larvas ainda podem se mover em direção ao cheiro mais forte. Mas, notavelmente, eles pararam a uma certa distância da fonte e apenas a circundaram em uma órbita fixa. Tadres repetiu o experimento com um neurônio um pouco menos sensível ao odor que estava testando e descobriu que as larvas se aproximavam da fonte antes de parar.
Intrigado com esse comportamento, Tadres usou eletrodos para medir a atividade do neurônio sensorial. Como esperado, a sinalização aumentou à medida que o odor se tornou mais concentrado. Mas, em vez de se estabilizar acima de um certo nível, a atividade caiu para zero. É por isso que as larvas mutantes circularam a fonte do odor; acima de certa concentração, o cheiro simplesmente desaparecia.
“O silenciamento do neurônio sensorial olfativo poderia facilmente explicar o comportamento circular, que antes era misterioso”, disse Tadres. “A partir daí não foi difícil extrapolar que a visão atual de como os odores são codificados em diferentes concentrações precisava ser atualizada”.
Os pesquisadores sabiam que a estimulação excessiva pode fazer com que os nervos fiquem em silêncio, um efeito chamado “bloqueio de despolarização”. No entanto, o consenso foi de que esse tipo de sobrecarga não ocorre em condições naturais e saudáveis. De fato, essa resposta está associada a problemas como epilepsia quando ocorre no cérebro central. Mas quando Tadres observou isso afetando o comportamento das larvas, ele suspeitou que não fosse apenas um artefato do experimento.
Um modelo matemático
Tadres e Louis começaram a investigar a causa do bloqueio de despolarização. Para obter ajuda, eles procuraram o professor Jeff Moehlis, presidente do departamento de engenharia mecânica, e o aluno de doutorado de Louis, Philip Wong (coorientado por Moehlis), que começou a construir um modelo matemático do sistema.
A voltagem através da membrana de um neurônio pode ser descrita por um sistema de equações. Este modelo foi uma descoberta revolucionária em 1952 e ganhou um Prêmio Nobel por seus descobridores, Alan Hodgkin e Andrew Huxley. Para este estudo de caso, Wong adicionou uma representação matemática do receptor odorante, o “gatilho” que inicia o resto do modelo. Ele também incluiu uma modificação do campo da pesquisa da epilepsia em que a alta estimulação desliga certos canais iônicos na membrana celular, impedindo que um neurônio dispare.
O modelo de Wong foi capaz de ajustar e prever as medições de Tadres da atividade elétrica do neurônio. “Isso foi bastante útil porque os dados de eletrofisiologia eram difíceis de coletar e muito demorados para analisar”, disse Wong.
Além de corroborar os resultados experimentais, o modelo está orientando a equipe na continuidade da investigação desse efeito. “Este modelo pode nos dizer exatamente como cada neurônio está respondendo a diferentes odores”, disse Wong.
O sucesso do modelo aponta para uma possível fonte do bloqueio de despolarização: um canal iônico específico presente em neurônios em todo o reino animal. Se for verdade, isso sugere que a maioria dos neurônios sensoriais pode ficar em silêncio após uma estimulação forte e sustentada. A equipe espera validar essa hipótese em um próximo estudo.
Além do mais, o modelo previu que o sistema se comportaria de maneira diferente subindo de baixas concentrações de odor versus descendo de altas concentrações. A medição da voltagem dos neurônios das larvas confirmou isso. Ao descer, o neurônio não reativou abaixo do limiar onde havia silenciado. Na verdade, ele permaneceu em silêncio até que a concentração de odor voltasse a zero antes de retornar à atividade normal.
Um sistema melhor para olfato
Este estudo demonstrou que altas concentrações de odor podem silenciar os receptores mais sensíveis. Esse resultado contra-intuitivo marca uma mudança fundamental em nossa compreensão do olfato. “À medida que você aumenta a concentração de um odor, começa a recrutar mais e mais receptores de odor que não são tão sensíveis a esse composto”, explicou Louis. “E assim, a visão comum até o nosso trabalho era que você apenas adicionava receptores olfativos ativos à imagem.”
Isso faz sentido, até que você considere o sistema como um todo. Se fosse esse o caso, um composto deveria ativar praticamente todos os receptores acima de um certo nível. “Portanto, seria impossível para você distinguir entre dois odores diferentes em concentrações muito altas”, disse Tadres. “E esse claramente não é o caso.”
A extinção de certos neurônios sensoriais à medida que outros se juntam pode ajudar a preservar a distinção entre odores em altas concentrações. E isso pode ser importante para a sobrevivência. Isso pode impedir que venenos e nutrientes que compartilham certos compostos tenham o mesmo cheiro quando você os cheira.
Também pode ter consequências sobre como percebemos os odores. “Nós especulamos que a remoção sucessiva de neurônios sensoriais olfativos de alta sensibilidade é como remover a raiz de um acorde musical”, disse Louis. “Essa omissão da tônica vai alterar a maneira como seu cérebro percebe o acorde associado a um conjunto de notas. Vai dar a ele um significado diferente.”
Uma sutil nota floral sugere que um pomar pode estar florescendo nas proximidades, informações úteis para um animal faminto. Enquanto isso, os mesmos compostos em concentrações mais altas podem produzir o amadurecimento pungente de frutas em decomposição ou mesmo esgoto: algo que é melhor evitar. Estudos como este revelam cada vez mais complexidades para o nosso olfato, que evoluiu para nos ajudar a navegar em uma paisagem química igualmente complexa.
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