Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Mỗi khoảnh khắc trong ngày chúng ta được bao quanh bởi mùi. Mùi có thể mang lại những ký ức hoặc nhanh chóng cảnh báo chúng ta rằng thực phẩm đã trở nên tồi tệ. Nhưng làm thế nào để não của chúng ta xác định rất nhiều mùi khác nhau? Và làm thế nào chúng ta có thể dễ dàng gỡ rối các thành phần của một hỗn hợp mùi? Các nhà khoa học đã thực hiện một bước quan trọng để trả lời những câu hỏi này, và bí mật nằm trong mũi.
Mỗi khoảnh khắc trong ngày chúng ta được bao quanh bởi mùi. Mùi có thể mang lại những ký ức hoặc nhanh chóng cảnh báo chúng ta rằng thực phẩm đã trở nên tồi tệ. Nhưng làm thế nào để não của chúng ta xác định rất nhiều mùi khác nhau? Và làm thế nào chúng ta có thể dễ dàng gỡ rối các thành phần của một hỗn hợp mùi? Trong một nghiên cứu mới trên chuột được công bố hôm nay trên Science, các nhà khoa học Columbia đã thực hiện một bước quan trọng để trả lời những câu hỏi này và bí mật nằm trong mũi.
“Từ rác đến nước hoa, mùi hương chúng ta gặp hàng ngày bao gồm hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn mùi riêng lẻ”, Stuart Firestein, Tiến sĩ, giáo sư khoa học sinh học Columbia và đồng tác giả của nghiên cứu ngày nay cho biết. “Ly cà phê buổi sáng của bạn có thể chứa hơn 800 loại phân tử mùi khác nhau. Mặc dù nhiều công việc đã được thực hiện để hiểu cách mũi và não phối hợp với nhau để xác định mùi riêng lẻ, các nhà khoa học đã phải vật lộn để giải thích cách hệ thống này hoạt động khi có nhiều mùi được trộn lẫn với nhau.”
Sử dụng phương pháp hình ảnh 3D tiên tiến có tên là kính hiển vi SCAPE, nhóm Columbia đã theo dõi cách hàng ngàn tế bào khác nhau trong mũi chuột phản ứng với các mùi khác nhau – và hỗn hợp của các mùi đó. Họ phát hiện ra rằng thông tin mà mũi gửi đến não về hỗn hợp mùi hương không chỉ là tổng số các bộ phận của nó.
Các tế bào trong mũi phát hiện mùi mỗi loại có một trong nhiều loại cảm biến hoặc thụ thể khác nhau; con người, ví dụ có tới 400 loại khác nhau của các thụ thể này. Đối với một mùi đơn thuần, chỉ những tế bào có thụ thể nhạy cảm với mùi đó mới hoạt động và gửi mã đến não mà nó có thể xác định là mùi đó. Nhưng đối với các hỗn hợp mùi phức tạp hơn, mã này sẽ ngày càng trở nên phức tạp để giải thích.
Các nhà nghiên cứu dự kiến sẽ thấy rằng các tế bào được kích hoạt bởi hỗn hợp các mùi sẽ tương đương với việc thêm các phản ứng lại với các mùi riêng lẻ. Trên thực tế, họ phát hiện ra rằng trong một số trường hợp, một mùi thực sự có thể tắt phản ứng của tế bào với mùi khác trong hỗn hợp; trong các trường hợp khác, mùi thứ nhất có thể khuếch đại phản ứng của tế bào với mùi thứ hai.
Mặc dù chúng ta thường nhận thấy một mùi thống trị một mùi khác nhưng trước đây người ta cho rằng quá trình này xảy ra trong não. Những kết quả này cho thấy các tín hiệu được gửi đến não được định hình bởi các tương tác này trong mũi.
Dữ liệu của nhóm đã thách thức quan điểm truyền thống rằng bộ não có ý nghĩa về một hỗn hợp mùi hương bằng cách tìm ra tất cả các thành phần riêng lẻ. Nó đã xác nhận những gì các nhà chế tạo nước hoa đã biết từ lâu: kết hợp các mùi hương khác nhau có thể tự tạo ra một trải nghiệm nhất định, về cơ bản trở thành một mùi hương hoàn toàn mới có thể cung cấp trải nghiệm hoàn toàn khác.
Lu Xu, một ứng cử viên tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Firestein và đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu ngày nay cho biết: “Chúng tôi rất phấn khích khi thấy những thay đổi trong mã này xảy ra ở mũi, trước khi các tín hiệu thậm chí đến não”. “Chúng tôi nghĩ rằng những hiệu ứng này có thể giúp chúng tôi phát hiện và xác định một phạm vi mùi cùng hỗn hợp lớn hơn nhiều so với một mã phụ gia đơn giản có thể truyền tải.”
Để tiết lộ những hoạt động bên trong của hệ thống khứu giác, các nhà nghiên cứu đã khai thác sức mạnh của kính hiển vi SCAPE, một kỹ thuật được phát triển bởi Elizabeth Hillman, Tiến sĩ, một nhà điều tra chính của Viện Zuckerman và đồng tác giả của bài báo Khoa học ngày nay. Kính hiển vi SCAPE tạo ra hình ảnh 3D tốc độ cao của các mô sống trong thời gian thực. Nó quét một dải ánh sáng góc tới lui để tạo ra các bộ phim 3D tốc độ cao về các tế bào và mô sống đang hoạt động.
Các phòng thí nghiệm Firestein và Hillman đã tùy chỉnh SCAPE để chiếu sáng và xem các mô trong mũi của chuột. Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các tế bào thần kinh trong mũi của động vật được dán nhãn huỳnh quang lóe lên dưới kính hiển vi khi các tế bào này được kích hoạt. Sau đó, họ tiếp xúc với các mô mũi của động vật với một loạt các kết hợp mùi hương khác nhau: một với một bó hoa gỗ, và một hỗn hợp khác của mùi hương hạnh nhân, hoa và cam quýt.
“SCAPE cho phép chúng tôi phân tích đồng thời hoạt động trong bất kỳ hàng chục ngàn tế bào đơn lẻ nào trong thời gian dài”, Wenze Li, Tiến sĩ, nhà khoa học nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Hillman và đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. “Sử dụng kính hiển vi thông thường, chúng tôi chỉ có thể chụp ảnh vài trăm tế bào trong một lớp mỏng trong một thời gian ngắn. SCAPE cho phép chụp ảnh nhiều tế bào hơn trong cấu trúc mũi 3D nguyên vẹn mà không làm hỏng mô. Điều này cho phép chúng tôi theo dõi phản ứng của từng tế bào theo thời gian cho một loạt dài các kết hợp mùi khác nhau.”
Để xử lý lượng dữ liệu khổng lồ được thu thập – hơn 300 gigabyte trên mỗi mẫu mô – nhóm phải xây dựng máy chủ xử lý dữ liệu mạnh mẽ của riêng họ và làm việc với các thuật toán do Cục Thống kê và Quỹ Simons của Columbia phát triển.
Trong gần hai mươi năm, các chuyên gia mùi hương đã biết rằng một số mùi nhất định có thể che giấu hoặc thậm chí tăng cường cho những người khác. Với nghiên cứu ngày nay, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế tiềm năng cho hiện tượng này.
Tiến sĩ Hillman, giáo sư kỹ thuật y sinh Khoa học ứng dụng tại Trường Kỹ thuật Columbia chia sẻ: “Kết quả của chúng tôi cho thấy các phân tử mùi hương có thể kích hoạt và vô hiệu hóa các thụ thể, che giấu các mùi hương khác không phải bằng cách chế ngự chúng mà bằng cách thay đổi cách các tế bào phản ứng với chúng. Những phát hiện này thực sự có thể rất hữu ích, ví dụ để tạo ra các chất làm mát không khí tốt hơn thực sự ngăn chặn bất kỳ mùi không mong muốn nào.”
Những kết quả này cũng rất thú vị bởi vì nhóm nghiên cứu không mong đợi rằng loại thụ thể này có thể được tăng cường hoặc ức chế theo cách này. Việc có thể thay đổi cách một thụ thể phản ứng với một chất là rất quan trọng đối với sự phát triển của thuốc. Các nghiên cứu của họ trong mũi thực sự đã làm sáng tỏ những cách thức khả thi để điều chỉnh phản ứng của các loại tế bào khác có thể liên quan đến bệnh.
Nghiên cứu này là một cuộc ‘hôn nhân’ thực sự về chuyên môn của hai phòng thí nghiệm khác nhau, với công nghệ kính hiển vi hiện đại và phân tích dữ liệu lớn. Tiến sĩ Hillman, cũng là giáo sư X quang tại Đại học Bác sĩ Vagelos của Columbia và bác sĩ phẫu thuật, Tiến sĩ Hillman ghi nhận tài trợ cùng khuyến khích từ Sáng kiến NIH BRAIN để làm cho khoa học và công nghệ song song này có thể hoạt động. “Chúng tôi đã phát hiện ra một thứ gần như không thể nhìn thấy trước đây, bởi vì chúng tôi có một cách mới để nhìn thấy nó.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Zuckerman tại Đại học Columbia . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :