美国费城莫奈尔化学感官研究中心的细胞生理学家Johannes Reisert，他致力于解决嗅觉生理学的问题。

根据近日在线发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一项研究，科学家们提出了一个问题：与视觉或听觉系统中的感觉细胞相比，为什么嗅觉受体细胞使用一套完全不同的电活动与大脑进行交流？针对以上问题，来自美国费城莫奈尔化学感官研究中心和法国巴黎高等师范学院的两名科学家，将数学建模、电生理学和计算机模拟结合起来，解释了细胞是如何在嗅觉纤毛（嗅觉探测的场所）这类高度狭窄的空间中进行有效沟通的。

这项研究的作者、莫奈尔中心的细胞生理学家Johannes Reisert博士评论说：“离子通道以及它们的电流如何改变细胞内离子浓度是出了名的难题。我们这种基于模型的方法不仅能更好地理解嗅觉是如何工作的，还能更好地理解小神经末梢（如树突）的功能，而这些小神经末梢的病理与许多神经退行性疾病有关。”

嗅觉开始的过程类似于钥匙插入锁中，空气中的化学分子通过鼻腔黏液与鼻腔内神经细胞壁上的嗅觉受体结合。嗅觉感受器位于纤毛上，纤毛是超薄细长的线状结构，直径小于0.000004英寸，从神经细胞延伸到黏液中。气味分子与受体结合的行为在嗅觉细胞内启动了复杂的分子级联（也就是传导），最终导致神经发送电信号告诉大脑检测到了某种气味。

传导过程以位于神经细胞壁的离子通道的打开而达到峰值。这些打开的离子通道使正电荷或负电荷分子（离子）进出细胞，最终改变细胞的总体电荷状态，使其处于较低的负电荷状态，从而向大脑发出细胞电信号。

大多数离子通道对特定离子具有选择性，包括带正电荷的钠离子或带负电荷的氯离子。离子在两个方向上通过通道时，都会产生电流。视觉和听觉系统中的受体细胞都依赖于向内流动的正离子电流来产生电信号。相反，嗅觉系统依赖于向外流动的负离子电流产生电信号。

Reisert和他的合作者、巴黎高等师范学院的计算神经科学家Jürgen Reingruber博士，通过使用多种方法开发了一个可测试的嗅觉传导和离子电流模型，解释了为什么嗅觉系统发挥功能的方式不同。结果证明，依赖氯离子而不是钠离子作为传导级联的一部分提供了一些优势，使嗅觉细胞能够更一致地对气味作出反应。

我们知道，嗅觉细胞外黏液中钠离子和其他阳离子的浓度会随着鼻子外部环境的变化而发生显著变化，这使得嗅觉细胞很难依赖外部产生的钠离子电流作为传导级联的可靠组成部分。嗅觉细胞利用来自细胞内部（离子浓度更稳定）的氯离子电流来解决这一问题，使氯离子电流整体上更可靠。“如果你在海里游泳，鼻子浸在盐水里，嗅觉细胞外就会有更多的钠离子。但无论你是在海里游泳还是坐在厨房里，嗅觉细胞都必须能够可靠地发挥作用。它们用从细胞内移动到细胞外的氯离子取代外部产生的钠离子电流，解决了这个问题。”

这些模型还表明，利用向外流动的氯离子电流，嗅觉细胞能够保护纤毛细胞内极小的空间：向内流动的正离子会让额外的水进入这个狭小的空间，可能会导致渗透膨胀和相关的纤毛结构损伤。

这一发现解释了嗅觉系统是如何在不稳定的外部环境和纤毛极小体积的物理条件下可靠地发挥作用的。研究中用到的建模方法现在可以用于研究神经系统其他部分的类似问题，包括嗅觉系统和神经系统中其他受限区域的细胞信号和通信。

编译：花花

审稿：三水

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