Cheirar o cheiro: como o cérebro organiza informações sobre odores
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Os neurocientistas descrevem pela primeira vez como as relações entre diferentes odores são codificadas no cérebro. As descobertas sugerem um mecanismo que pode explicar por que os indivíduos têm experiências comuns, mas altamente personalizadas, com o olfacto, e informar os esforços para entender melhor como o cérebro transforma as informações sobre a química do odor na percepção do olfacto.

A estreia do filme Scent of Mystery, em 1960, marcou um evento singular nos anais do cinema: a primeira e a última estreia no cinema “na gloriosa Smell-O-Vision”. Na esperança de impressionar os espectadores com uma experiência olfactiva dinâmica, juntamente com os espectáculos familiares de visão e som, alguns cinemas foram equipados com um dispositivo ao estilo de Rube Goldberg, que transmitia diferentes aromas directamente aos assentos.

O público e os críticos rapidamente concluíram que a experiência fedia. Cheio de problemas técnicos, o Smell-O-Vision foi criticado e se tornou uma piada que ocupa um lugar único na história do entretenimento. O fracasso do Smell-O-Vision, no entanto, falhou em impedir que os empreendedores continuassem a perseguir o sonho de entregar cheiros aos consumidores, principalmente nos últimos anos, por meio de tecnologias de aromas digitais.

Tais esforços geraram manchetes de notícias, mas pouco sucesso, devido em parte a uma compreensão limitada de como o cérebro traduz a química do odor em percepções do olfacto – um fenómeno que, sob muitos aspectos, permanece opaco para os cientistas.

Um estudo realizado por neurobiologistas da Harvard Medical School agora fornece novas ideias sobre o mistério do perfume. Relatando na Nature em 1 de Julho, os pesquisadores descrevem pela primeira vez como as relações entre diferentes odores são codificadas no córtex olfactivo, a região do cérebro responsável pelo processamento do cheiro.

Ao fornecer odores com estruturas moleculares cuidadosamente seleccionadas e analisar a actividade neural em ratos acordados, a equipa mostrou que as representações neuronais do olfacto no córtex reflectem semelhanças químicas entre os odores, permitindo que os aromas sejam colocados em categorias pelo cérebro. Além disso, essas representações podem ser religadas por experiências sensoriais.

Os resultados sugerem um mecanismo neurobiológico que pode explicar por que os indivíduos têm experiências comuns, mas altamente personalizadas, com o olfacto.

“Todos nós compartilhamos um quadro de referência comum com os cheiros. Você e eu pensamos que o limão têm um cheiro semelhante e concordamos que têm um cheiro diferente da pizza, mas até agora, não sabíamos como o cérebro organiza esse tipo de informação, “, disse o autor sénior do estudo Sandeep Robert Datta, professor associado de neurobiologia no Instituto Blavatnik no HMS.

Os resultados abrem novos caminhos de estudo para entender melhor como o cérebro transforma informações sobre a química dos odores na percepção do olfacto.

“Esta é a primeira demonstração de como o córtex olfactivo codifica informações sobre o que ele é responsável, que é a química do odor, as pistas sensoriais fundamentais da olfacção”, disse Datta.

Odor de computação

O olfacto permite que os animais identifiquem a natureza química do mundo ao seu redor. Os neurónios sensoriais no nariz detectam moléculas de odor e retransmitem sinais para o bulbo olfactivo, uma estrutura no cérebro anterior onde ocorre o processamento inicial do odor. O bulbo olfactivo transmite principalmente informações ao córtex piriforme, a estrutura principal do córtex olfactivo, para um processamento mais abrangente.

Ao contrário da luz ou do som, estímulos facilmente controlados por características como a frequência e o comprimento de onda, é difícil investigar como o cérebro constrói representações neurais das pequenas moléculas que transmitem odor. Frequentemente, alterações químicas subtis – alguns átomos de carbono aqui ou átomos de oxigénio ali – podem levar a diferenças significativas na percepção do olfacto.

Datta, juntamente com o primeiro autor do estudo, Stan Pashkovski, pesquisador em neurobiologia do HMS, e colegas abordaram esse desafio concentrando-se na questão de como o cérebro identifica odores relacionados, mas distintos.

“O facto de todos pensarmos que um cheiro de limão e lima é semelhante significa que sua composição química deve, de alguma forma, evocar representações neurais semelhantes ou relacionadas em nossos cérebros”, disse Datta.

Para investigar, os pesquisadores desenvolveram uma abordagem para comparar quantitativamente os odores químicos análogos de como as diferenças no comprimento de onda, por exemplo, podem ser usadas para comparar quantitativamente as cores da luz.

Eles usaram o aprendizado de máquina para examinar milhares de estruturas químicas conhecidas por apresentar odores e analisaram milhares de características diferentes para cada estrutura, como número de átomos, peso molecular, propriedades electroquímicas e muito mais. Juntos, esses dados permitiram que os pesquisadores calculassem sistematicamente quão semelhante ou diferente qualquer odor era em relação a outro.

A partir desta biblioteca, a equipe projectou três conjuntos de odores: um conjunto com alta diversidade; um com diversidade intermediária, com odores divididos em grupos relacionados; e uma de baixa diversidade, onde as estruturas variavam apenas por aumentos incrementais no comprimento da cadeia de carbono.

Eles então expuseram os ratos a várias combinações de odores dos diferentes conjuntos e usaram a microscopia multifotónica para definir padrões de actividade neural no córtex piriforme e no bulbo olfactivo.

Previsão de cheiros

Os experimentos revelaram que as semelhanças na química dos odores foram reflectidas nas semelhanças na actividade neural. Odores relacionados produziram padrões neuronais correlatos no córtex piriforme e no bulbo olfactivo, medidos por sobreposições na actividade dos neurónios. Odores fracamente relacionados, por outro lado, produziram padrões de actividade fracamente relacionados.

No córtex, odores relacionados levaram a padrões de actividade neural mais fortemente agrupados em comparação com padrões no bulbo olfactivo. Esta observação foi verdadeira em ratos individuais. As representações corticais das relações de odor estavam tão bem correlacionadas que poderiam ser usadas para prever a identidade de um odor retido num rato com base em medições feitas num rato diferente.

Análises adicionais identificaram uma variedade diversificada de características químicas, como peso molecular e certas propriedades electroquímicas, que estavam ligadas a padrões de actividade neural. As informações obtidas a partir dessas características eram suficientemente robustas para prever respostas corticais a um odor em um animal com base em experimentos com um conjunto separado de odores num animal diferente.

Os pesquisadores também descobriram que essas representações neurais eram flexíveis. Os ratos receberam repetidamente uma mistura de dois odores e, com o tempo, os padrões neurais correspondentes desses odores no córtex tornaram-se mais fortemente correlacionados. Isso ocorreu mesmo quando os dois odores tinham estruturas químicas diferentes.

A capacidade de adaptação do córtex foi gerada em parte por redes de neurónios que remodelam selectivamente as relações de odor. Quando a actividade normal dessas redes foi bloqueada, o córtex codificado cheira mais como o bulbo olfactivo.

“Apresentamos dois odores como se fossem da mesma fonte e observamos que o cérebro pode se reorganizar para reflectir experiências olfactivas passivas”, disse Datta.

Parte da razão pela qual coisas como cheiro de limão são iguais, ele acrescentou, é provável que os animais da mesma espécie tenham genomas semelhantes e, portanto, semelhanças na percepção do cheiro. Mas cada indivíduo também tem percepções personalizadas.

“A plasticidade do córtex pode ajudar a explicar por que o cheiro é invariante, por um lado, entre os indivíduos, e ainda personalizável, dependendo de nossas experiências únicas”, disse Datta.

Juntos, os resultados do estudo demonstram pela primeira vez como o cérebro codifica as relações entre os odores. Em comparação com os córtices visual e auditivo relativamente bem compreendidos, ainda não está claro como o córtex olfactivo converte informações sobre a química do odor na percepção do olfacto.

Identificar como o córtex olfactivo mapeia odores semelhantes agora fornece novas ideias que informam os esforços para entender e potencialmente controlar o sentido do olfato, de acordo com os autores.

“Ainda não entendemos completamente como as químicas se traduzem em percepção”, disse Datta. “Não existe algoritmo ou máquina de computador que pegue uma estrutura química e nos diga qual será o cheiro desse produto químico”.

“Para realmente construir essa máquina e poder criar um mundo olfativo virtual controlável para uma pessoa, precisamos entender como o cérebro codifica informações sobre cheiros”, disse Datta. “Esperamos que nossas descobertas sejam um passo nesse caminho”.

Autores adicionais do estudo incluem Giuliano Iurilli, David Brann, Daniel Chicharro, Kristen Drummey, Kevin Franks e Stefano Panzeri.

O estudo foi financiado pela Fundação Vallee, pelos Institutos Nacionais de Saúde (RO11DC016222, U19NS112953) e pela Simons Collaboration on the Global Brain.

Story Source:

Materials provided by Harvard Medical School. Original written by Kevin Jiang.


Journal Reference:

  1. Stan L. Pashkovski, Giuliano Iurilli, David Brann, Daniel Chicharro, Kristen Drummey, Kevin Franks, Stefano Panzeri, Sandeep Robert Datta. Structure and flexibility in cortical representations of odour spaceNature, 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2451-1

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