Pochylasz się. Wdychać. Mózg decyduje, czy melon jest dojrzały, czy też mleko już się zepsuło.
Mysz robi to samo, ale szybciej. Nawet gorączkowo.
Nowe badania przeprowadzone na Northwestern University pokazują, że pomimo różnicy w szybkości mechanizmy neuronowe leżące u podstaw tego procesu są prawie identyczne. Nie chodzi tylko o kichanie. Chodzi o wyczucie czasu.
Dwie publikacje w czasopiśmie Science Advances ujawniają, że sposób, w jaki ludzie i myszy przetwarzają zapachy, opiera się na systemie utrwalonym ewolucyjnie. Myszy potrafią brać pojedyncze, świadome oddechy. Ludzie, pomimo powolnego oddychania, generują te same rytmy mózgowe, których używają gryzonie podczas częstego wąchania.
Nie jest to wyłącznie zainteresowanie akademickie. Zmienia to sposób, w jaki patrzymy na pogorszenie stanu neurologicznego.
Logika ewolucyjna ogólnego zmysłu węchu
Mózg postrzega zapach jako aktywną decyzję, a nie bierną percepcję.
Zwierzęta kontrolują przepływ cząsteczek zapachu. Oni dyktują termin. Jest to ważne, ponieważ jeśli nie kontrolujesz napływających danych, nie masz kontroli nad samymi danymi.
Gryzonie znane są z częstego węszenia. Ludzie? Co kilka sekund bierzemy może jeden oddech. W porównaniu z myszami jest to niezwykle powolne. Przez wiele lat naukowcy zastanawiali się: w jaki sposób człowiek może zidentyfikować zapach tak szybko i dokładnie jak mysz, jeśli „próbuje” powietrze dziesięć razy rzadziej?
Zespoły z Northwestern University podeszły do tej tajemnicy z przeciwległych krańców drzewa ssaków.
Jedna grupa badała myszy. Patrzyli, jak pobierali jedzenie, przykładali je do nosa i zamarli. To nie było szaleńcze węszenie. Były to pojedyncze, celowe oddechy.
Inna grupa rejestrowała sygnały bezpośrednio z ludzkich opuszek węchowych. Są to struktury, które odbierają pierwsze sygnały neuronowe z nosa.
Wyniki były spójne. Czas jest taki sam. Mechanizm jest powszechny.
„Prawdziwe podobieństwo polega na tym jednym oddechu… ma silną wolę; robią to celowo.” — John M. Barrett, Uniwersytet Northwestern
Zręczne pojedyncze oddechy u myszy
Badanie na myszach zaczęło się od czegoś, co można łatwo przeoczyć.
Naukowcy pod kierownictwem Gordona M. G. Shepparda wykorzystali zrobotyzowany system wielu kamer do śledzenia swobodnie poruszających się myszy. Szukali momentów, kiedy zwierzęta zamarzały i przynosiły jedzenie do nosów.
Zamiast zwykłego, częstego pobierania próbek, myszy wziąły jeden, starannie zaplanowany oddech.
Wyglądało to na inspekcję. Szybka kontrola przed podjęciem decyzji o ugryzieniu.
Kiedy jedzenie wydawało się niesmaczne, oddech był brany głębiej. Jednak sam zapach nie wywołał tego odruchu. Jeśli badacze zawiązali myszom oczy, nadal wdychały. Zatrzymało się dopiero wtedy, gdy aktywność kory ruchowej została stłumiona.
Dowodzi to, że zachowanie ma charakter proaktywny, a nie odruchowy. Myszy wybierają wdychanie.
„Okazuje się, że myszy wolą przeprowadzać te szybkie «testy węchu»… zamiast biernie stymulować je do wąchania.” — Mang Gao
Po raz pierwszy udokumentowano takie celowe, bezrefleksyjne wąchanie u gryzoni podczas naturalnego żerowania. Odzwierciedla to działanie osoby przykładającej jedzenie do nosa w celu oceny.
Oscylacje Theta: sygnał ludzkiego zmysłu węchu
Podczas gdy myszy często wąchają, aby stymulować przetwarzanie węchowe, ludzie mają coś innego.
W badaniu prowadzonym przez Cristinę Zelano i Andrew Sheriffa zarejestrowano aktywność opuszek węchowych ochotników. Poproszono ich o wzięcie jednego świadomego oddechu.
Ten pojedynczy oddech wyzwolił fale mózgowe o niskiej częstotliwości. Oscylacje theta. W szczególności rytmy w zakresie 2–8 Hz.
Jest to ten sam zakres częstotliwości, którego używają gryzonie podczas szybkiego wąchania.
U myszy wdech i fala theta ulegają fuzji. Są praktycznie nie do odróżnienia. Oddychanie jest rytmem.
Ludzie oddychają wolniej. Ale fala theta nie ustępuje. Organizuje szybsze wybuchy aktywności neuronowej w ciągu jednego oddechu. Jeden powolny oddech aktywuje kilka wewnętrznych cykli przetwarzania. Mózg oddziela dane, analizuje zapach i podejmuje decyzję – wszystko w ciągu jednego oddechu.
Ludzki mózg kompresuje tę samą strukturę czasową w wolniejsze działanie fizyczne.
„U ludzi wolniejsze tempo wąchania oddziela je [wdech i oscylacje theta], ujawniając oscylacje theta jako odrębne zjawisko.” — Qiaohan Yang
Potwierdza to, że sposób, w jaki ludzie i myszy przetwarzają zapachy podlega tym samym wewnętrznym oknom czasowym, nawet jeśli wykonanie fizyczne jest bardzo różne.
Dlaczego jest to ważne przy wykrywaniu chorób
Zrozumienie zdrowych obwodów węchowych to jedyny sposób na wykrycie zakłóceń.
Zmiany w zachowaniu wąchania od dawna kojarzono z chorobami neurodegeneracyjnymi. Autyzm, choroba Alzheimera i Parkinsona wykazują zmiany w funkcjonowaniu węchu.
Jeśli podstawowa mechanika neuronowa jest zachowana u różnych gatunków, wówczas zaburzenia w tych powszechnych rytmach mogą być wczesnymi biomarkerami patologii.
„Świadomość, że mamy ten ewolucyjnie konserwatywny zestaw mechanizmów, pomaga nam zrozumieć… dlaczego zawodzą one w patologii.” — Andrzej Szeryf
Nie mamy do czynienia z dwoma odrębnymi systemami. Patrzymy na jeden starożytny system dostosowany do różnych częstotliwości oddychania. Myszy „obracają” go z dużą prędkością. Ludzie zwalniają, ale rdzeń silnika pozostaje nienaruszony.
Ten ogólny konstrukt sugeruje, że sposób, w jaki zbieramy informacje za pomocą zmysłu węchu, ma fundamentalne znaczenie dla naszego przetrwania jako ssaków. Określa, co jemy, czego unikamy i kiedy się ruszamy.
Mysz sprawdza okruchy. Mężczyzna sprawdza melon. Resztę robi mózg.
