Cómo se procesan los olores en el cerebro e influyen en el comportamiento
Un perro levanta la nariz en el aire antes de perseguir un olor. Un mosquito zigzaguea de un lado a otro antes de aterrizar en su brazo para su próxima comida. Lo que estos comportamientos tienen en común es que ayudan a estos animales a “ver” su mundo a través de sus narices.
Mientras que los humanos utilizan principalmente su visión para navegar por su entorno, la gran mayoría de los organismos en la Tierra se comunican y experimentan el mundo a través del olfato , su sentido del olfato.
Somos miembros de Odor2Action , una red internacional de más de 50 científicos y estudiantes que usan el olfato para estudiar la función cerebral en animales. Nuestro objetivo es comprender una pregunta fundamental en neurociencia: ¿Cómo traducen los cerebros de los animales la información de sus entornos a cambios en sus comportamientos?
Aquí rastreamos las interconexiones entre olores y comportamientos, observando cómo el comportamiento influye en la detección de olores, cómo el cerebro procesa la información sensorial de los olores y cómo esta información desencadena nuevos comportamientos.
Detección de olores en el ambiente.
Cuando el olor de una flor se libera en el aire, toma la forma de una nube de moléculas transportada por el viento llamada penacho . Encuentra obstáculos físicos y diferencias de temperatura a medida que fluye a través del espacio. Estas interacciones crean turbulencias que dividen el penacho de olor en hilos delgados que se esparcen a medida que el olor se aleja de su fuente. Estos filamentos eventualmente llegan a la nariz de un animal oa la antena de un insecto.
Los olores que se descomponen en filamentos presentan un desafío para los animales que los usan para encontrar comida o parejas o evitar amenazas. Se vuelve difícil predecir con precisión de dónde proviene el olor. ¿Está la fuente directamente adelante, a la izquierda oa la derecha, arriba o abajo?
Para evitar esto, los animales han desarrollado lo que se denominan comportamientos de detección activa que mejoran su capacidad para detectar y encontrar olores en el medio ambiente.
Cuando una mosca detecta el olor a fruta o un mosquito detecta dióxido de carbono de un posible huésped, por ejemplo, ambos insectos primero se mueven contra el viento para acercarse al olor de la fuente de alimento. Luego se mueven en un movimiento serpenteante de ida y vuelta llamado lanzamiento para encontrar más hilos de olor antes de volver a navegar contra el viento. Si pierden el olor, comenzarán a lanzar de nuevo hasta que encuentren el olor. Los animales más grandes, como los ratones y los perros, también alternan entre movimientos más dirigidos y acciones de búsqueda más exploratorias.
Los animales también mueven la nariz y las antenas para mejorar las posibilidades de encontrar un olor. Esta es la razón por la que los perros levantan la nariz en el aire para aumentar la cantidad de olor que pueden olfatear, y por la que los insectos mueven sus antenas para remover y penetrar el aire para tener un mejor contacto con las moléculas de olor.
Una vez que la información de los olores le dice al animal que está cerca de la fuente, entonces entra en juego la búsqueda visual.
Dar sentido a los olores
Cuando un animal entra en contacto con una columna de olor, detecta la presencia de estas moléculas de olor a través de pequeñas proteínas llamadas receptores de olor . Estos receptores están incrustados en las neuronas sensoriales que recubren su cavidad nasal o antenas.
Cada neurona sensorial contiene solo un tipo de receptor de olor. Y cada tipo de receptor de olor tiene una forma diferente y un conjunto de propiedades químicas que determinan qué olores pueden unirse y activarlo. La mayoría de estos receptores reconocen múltiples olores, y la mayoría de los olores pueden unirse a múltiples receptores diferentes. Lo que codifica la identidad de un olor específico en el cerebro está determinado por la combinación de receptores que se activan y su fuerza relativa de activación.
Un animal como un ratón tiene alrededor de mil tipos de receptores de olores. Tener una gran cantidad de estos receptores con diversas formas permite que el sistema detecte y distinga entre una gran cantidad de olores químicamente únicos, incluidos los que el animal nunca antes había encontrado. La mayoría de los olores en el ambiente suelen ser una mezcla de muchos tipos diferentes de moléculas. El olor de algunas flores puede ser una mezcla de más de 100 compuestos químicos diferentes.
Una vez que una molécula de olor se une a un receptor, las neuronas sensoriales envían señales eléctricas específicas a compartimentos del cerebro llamados glomérulos olfativos . Los diferentes olores provocan distintos patrones de actividad eléctrica en estas regiones, y esto genera una representación neuronal específica del olor en el cerebro.
Un paso importante hacia la comprensión del olfato es descubrir cómo las diferentes clases de olores se asignan a diferentes patrones de señales eléctricas en el cerebro.
Los neurocientíficos plantean la hipótesis de que a medida que estas señales pasan por etapas sucesivas de procesamiento en lo profundo del cerebro, las representaciones sensoriales del olor se reformatean de manera que extraen la información más útil para la supervivencia. Esto podría ser si el olor proviene de algo nutritivo, lo que indica una posible fuente de alimento, o podría ayudar al animal a identificar si el olor proviene de un posible competidor o depredador.
Estas representaciones sensoriales reformateadas forman la base de cómo los animales perciben el olor y determinan qué acciones toman en respuesta a esta información.
Del olor a la acción
Una vez que la información sobre un olor en particular llega al cerebro, a menudo provoca comportamientos tanto instintivos como aprendidos . Los olores que indican peligro pueden hacer que el animal se congele o huya, mientras que los olores de un miembro de la misma especie pueden hacer que el animal marque su territorio o inicie el cortejo.
En muchos casos, los animales realizan estas tareas con una precisión y eficacia increíbles . Todavía es común usar perros de búsqueda para encontrar personas perdidas y cerdos para encontrar trufas porque las tecnologías disponibles no son capaces de funcionar tan bien.
Los animales alcanzan este nivel de rendimiento no solo porque pueden detectar e identificar un olor. También pueden integrar características de olor, como la intensidad del olor, con pistas ambientales, como la dirección del viento, y señales internas, como el hambre. Toda esta información se une para generar secuencias específicas de comportamientos tales como “dar la cara al viento y luego caminar hacia adelante”.
Para comprender cómo el olor guía estos comportamientos, los científicos miden o manipulan la actividad cerebral de un animal mientras realizan acciones específicas. Esto se hace usando imágenes, electrofisiología u optogenética , que activan selectivamente neuronas específicas al iluminarlas. Estos enfoques permiten a los investigadores comprender cómo cambian los patrones de actividad cerebral cuando un animal cambia su comportamiento para perseguir un olor, o cómo se combinan las señales ambientales e internas para producir una mejor suposición sobre la ubicación de su próxima comida.
Liderando la ciencia y la tecnología por la nariz
El sistema olfativo ofrece una oportunidad única para comprender cómo el cerebro procesa la información ambiental y la traduce en comportamiento. En comparación con otras áreas del cerebro, el circuito olfativo tiene una estructura más simple y utiliza menos etapas de procesamiento. Su relativa simplicidad es lo que permite a los científicos como nosotros estudiarlo de principio a fin y aprender cómo funciona el cerebro en su conjunto.
Comprender la función cerebral a través de la lente del olfato también podría allanar el camino para desarrollos transformadores en ingeniería, neurociencia y salud pública. Nuestra investigación debería acelerar el desarrollo de robots con narices electrónicas que pueden usar olores para buscar armas químicas , derrames de petróleo bajo el agua y fugas de gas natural de las tuberías en entornos donde puede ser tedioso o peligroso para humanos o animales. Los robots también podrían buscar personas desaparecidas o víctimas de desastres, algo que normalmente se hace con perros entrenados .
Un futuro emocionante en el desarrollo científico y médico, creemos, está justo debajo de nuestras narices.
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