Forfattere
Verden omkring os er fyldt med lugte, nogle behagelige, beroligende eller vækker minder, andre stimulerende, skræmmende eller ulækre. Hvor mange lugte tror du, at du kan genkende? Du vil måske blive overrasket over at høre, at mennesker kan genkende hundredtusindvis af forskellige lugte – ikke nogen nem opgave at udføre. Så hvordan gør vi det? I denne artikel vil vi lugte os gennem det olfaktoriske system, se på forbindelserne mellem næsen og hjernen og se, hvordan lugte behandles i hjernen for at fremkalde unikke reaktioner.
Professor Richard Axel vandt Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2004, sammen med professor Linda B. Buck, for deres opdagelser af lugtreceptorer og organiseringen af lugtesystemet.
Når man ser en smuk buket blomster eller går forbi en parfumeforretning, læner man sig ofte ind for at dufte til dem. Har du nogensinde undret dig over, hvad det egentlig er, du dufter til? Og hvordan genkender du duften? Når man dufter til en blomst, indånder man molekyler, der frigives fra blomsten, og opbygger derefter en indre repræsentation af blomstens lugt gennem den elektriske aktivitet, der sker i hjernen (figur 1).
Før vi dykker ned i lugtesansens kompleksitet, lad os se på, hvordan lugtesystemet fungerer. Lugte består af molekyler, der frigives fra det objekt, du lugter til (f.eks. en appelsin eller en rose). Lugtmolekylerne, som kaldes odorants rejser gennem luften og kommer ind i din næse. Inde i næsen, i den øverste bageste del kaldet nose epithelium, er der celler, der har særlige molekyler kaldet receptorer. Hver receptor har en unik form, så den “kan lide” visse lugtstoffer mere end andre og bliver mere aktiveret af deres tilstedeværelse (figur 2). Disse receptorer findes på nerveceller kaldet olfactory sensory neurons (OSNs). Interaktionen mellem lugtmolekyler og OSN’er oversættes af OSN’erne til elektriske signaler, som derefter sendes til hjernen. På grund af dette geniale design aktiverer hvert lugtstof (såsom beta-ionon, når du lugter en rose, limonen, når du lugter en citron, eller benzylacetat, når du lugter jordbær) en unik kombination af OSN’er [1] ud af mere end tusind OSN-typer, som du har, og dette forårsager igen et unikt mønster af elektrisk aktivitet, der muliggør din opfattelse af en bestemt lugt. For at opsummere er kodningen af lugte i hjernen baseret på aktiveringen af en unik undergruppe af OSN’er. Hvert OSN aktiveres elektrisk, når dets receptorer interagerer med specifikke lugtmolekyler, men ikke med andre molekyler. Denne elektriske aktivitet bevæger sig derefter ind i forskellige regioner i hjernen, der behandler og repræsenterer lugtinformation.
Da jeg begyndte at studere det olfaktoriske system, vidste man, at dyr kan skelne mellem et ekstremt stort antal forskellige lugte, men man vidste ikke hvordan. Det var tydeligt, at der måtte være en hjernemekanisme, som gør det muligt for et dyr at genkende denne enorme mangfoldighed af lugtmolekyler. Det førte til idéen om, at der måtte være et meget stort antal gener, som koder for lugtreceptorerne. OSN’erne, som oversætter lugtreceptorerne, må også have en måde at omdanne interaktionen mellem lugtreceptorerne til elektriske signaler.
I vores forskning ønskede vi at finde de gener, der koder for (eller dikterer arten af) lugtreceptorer. For at gøre det, lavede vi tre antagelser, der forenklede vores søgning: (1) der burde være en stor familie af gener, der koder for lugtreceptorer; (2) lugtreceptorer har en mekanisme til at omdanne interaktioner med lugtmolekyler til elektriske signaler; og (3) gener, der koder for lugtreceptorer, udtrykkes kun i OSN’er i næseepitelet. Ved hjælp af disse antagelser var vi i stand til effektivt at søge efter en familie af gener, der koder for lugtreceptorer i mus. Vi isolerede deres OSN’er og fandt en ny genfamilie i musens DNA, som består af omkring 1.000 forskellige receptorgener [2]. Det var meget spændende, da det var første gang, man havde identificeret lugtstofreceptorgener. Cirka 23 år senere, i 2004, indbragte denne opdagelse mig og min kollega, professor Linda Buck, en Nobelpris i fysiologi eller medicin [3].
Når vi har identificeret lugtstofreceptorgener, kan vi bruge sofistikerede teknikker (herunder molekylær genetik og neural billeddannelse) til at stille mere komplekse spørgsmål om organiseringen og aktiviteten af OSN’er i næsen og hjernen. For eksempel, hvor mange af receptorgenerne udtrykker hvert OSN? Indeholder hvert OSN kun én type lugtreceptor eller flere typer receptorer? Disse to muligheder indebærer to helt forskellige strukturer og funktionelle mekanismer i det olfaktoriske system. Det viste sig, at den første mulighed var korrekt: Hvert OSN udtrykker kun 1 ud af omkring 1.000 mulige receptorgener.
Lad os nu se på, hvordan OSN er organiseret i næsen og i hjernen, hvor lugtgenkendelsen finder sted. Hos mus er der 10 millioner OSN’er i næsen og 1.000 forskellige lugtreceptorer. Da hver OSN kun udtrykker én receptortype, betyder det, at hver receptortype udtrykkes i 10.000 neuroner. (10 millioner/1.000 = 10.000). Men hvordan er de 10.000 neuroner, der udtrykker den samme lugtreceptor, organiseret i næseepitelet? Er de spredt ud over et stort område, eller er de samlet tæt sammen? Og hvad sker der med den elektriske information, som de genererer, når de interagerer med deres yndlingslugtstof? Konvergerer (eller samles) informationen for en bestemt lugt til et bestemt område i hjernen?
Vi fandt svaret på disse spørgsmål ved at bruge en avanceret teknik, der selektivt farver neuroner, der udtrykker det samme receptorgen. I næseepitelet er OSN’erne tilfældigt fordelt over et stort område (figur 3). OSN’erne sender derefter deres forlængelser (fibre kaldet axoner) ind i den første relæstation i hjernen, der behandler lugt, kaldet olfactory bulb. Alle de 10.000 OSN’er, der udtrykker en bestemt receptor, samles i et bestemt område i lugtekolben, kaldet glomerulus. (figur 3, højre). I alt er der 1.000 separate glomeruli i lugtekolben, og hver modtager information fra alle de (10.000) OSN’er, der udtrykker et specifikt receptorgen [4].
Hvad sker der, når et dyr udsættes for en bestemt lugt (boks 1)? Lugte er sammensat af mange molekyler (f.eks. mere end 400 i tilfælde af en rose [6]). Som vi så, aktiverer hvert lugtmolekyle en specifik gruppe af OSN’er (10.000 af dem), som konvergerer i og aktiverer en specifik glomerulus i den olfaktoriske pære. Lugten af en rose aktiverer en anden gruppe af glomeruli, end lugten af chokolade gør, så specifikke lugte skaber specifikke mønstre (eller “kort”) af glomeruli-aktivitet i hjernen.
Evnen til at sanse og skelne mellem lugte er meget vigtig for mange dyr, og lugtesansen var sandsynligvis den tidligste sans, der udviklede sig hos organismer. Der er mange ligheder mellem forskellige dyrs lugtesystemer. For eksempel indeholder bananfluers lugtesystem, i lighed med menneskers og gnaveres, specifikke celler, der hver især identificerer et relativt lille antal lugtmolekyler [5]. Hos bananfluer konvergerer lugtreceptorcellerne (placeret på deres to antenner), der udtrykker den samme receptor, også i den samme glomerulus. Bananfluer har dog færre glomeruli (ca. 60 sammenlignet med 1.000 hos mennesker). Ligheden mellem lugtesystemet hos fluer og mennesker gør det muligt for forskere at drage vigtige konklusioner om menneskets lugtesystem ved at studere bananfluer, som er lettere at studere end mennesker. Der er også vigtige forskelle mellem menneskers og fluers lugtesystemer, og lugte, der betragtes som behagelige eller ubehagelige for mennesker, vil ikke nødvendigvis blive oplevet på samme måde af fluer og omvendt.
I dag kan vi se ned på gnaveres lugtekolbe ved hjælp af neurale billeddannelsesteknikker og “læse” de rumligt organiserede mønstre (“kortet”) af neural aktivitet og ud fra denne aktivitet dechifrere, hvilken lugt der blev mødt. Dette er en fantastisk ny metode for forskere til at genkende lugte, men det er tydeligvis ikke den måde, dyret genkender lugte på, da det ikke har et billedmikroskop i sin lugtekolbe og ikke kan se udefra på sin egen neurale aktivitet, som vi forskere gør.
Selvom hjernens fascinerende evne til at genkende lugte endnu ikke er fuldt forstået, ved vi, at neuronerne i lugtepæren projicerer deres aksoner til flere hjerneområder (figur 4). Nogle af disse regioner er ansvarlige for automatisk adfærd som reaktion på lugte. For eksempel, når et dyr møder en bestemt lugt, der antyder, at der er fare på færde, som når en mus møder lugten af en kat, aktiveres en automatisk “løb væk!”-reaktion. Andre aksoner bevæger sig fra lugtekolben til hjerneområder, hvor læring finder sted. Der lærer et dyr specifikke adfærdsmæssige reaktioner baseret på de lugte, det møder [3].
Langt de fleste menneskelige reaktioner på lugte er af den anden type, indlærte snarere end automatiske. Folk tillægger specifikke lugte indlærte betydninger, og disse personlige betydninger påvirker deres reaktioner på lugtene. For eksempel kan en person, der har en romantisk første date, hvor der indgår vin, lære at forbinde lugten af vinen med følelsen af kærlighed. Bagefter, når de lugter vin, føler de “begejstringssommerfugle” og ønsker at række ud efter deres elskede.
Det betyder, at individer kan have unikke adfærdsmæssige reaktioner på en bestemt lugt, afhængigt af deres tidligere erfaringer med denne lugt (boks 2). For nogle af os er lugten af en rose forbundet med en smuk følelsesmæssig oplevelse (som kærlighed), mens en rose for andre kan være forbundet med farven rød, som kan være forbundet med blod og frygt. Men hvis vores hjerner reagerer forskelligt på det samme lugtmolekyle, oplever vi så rent faktisk den samme lugt, når vi lugter en bestemt lugt?
Lugtesansen har en tendens til at svækkes, når vi bliver ældre: Vores evne til at registrere svage lugte eller skelne mellem lugte mindskes. Flere faktorer fører til dette, herunder et faldende antal lugtreceptorer og nedsat funktion af visse hjerneområder. Interessant nok har nyere undersøgelser vist, at tab af lugtesansen er en forløber for Alzheimers sygdom og kan hjælpe med at diagnosticere sygdommen mere end 10 år før hukommelsesrelaterede symptomer.
Forestil dig, at en person, der aldrig har set eller lugtet en appelsin, beder dig om at beskrive, hvordan en appelsin lugter. Kan du sætte ord på det? Sandsynligvis ikke – en appelsin lugter bare som en appelsin, og du lærer at kende og genkende den lugt ved association. Når man ser en appelsin, lugter man samtidig til den, og selv om man lugter til den i mørke, ved man, at det er en appelsin, fordi man forbinder lugten med billedet af en appelsin eller med navnet “appelsin”. I den forstand er lugtesansen fundamentalt forskellig fra synet. Hvis nogen aldrig har set en appelsin før og spørger dig, hvordan en appelsin ser ud, kan du sige, at den er rund, har en orange farve, er på størrelse med en baseball, har en glat overflade osv. Du kan skabe et indre billede af et objekt i din hjerne, men du kan ikke rigtig skabe et indre billede af en lugt i din hjerne.
Hvis vi ikke kan beskrive lugte med sproget og ikke engang kan danne os et indre billede af lugte, hvordan kan vi så vide, at du og jeg lugter det samme, når vi lugter til en appelsin? Svaret er, at det ved vi ikke! Som vi nævnte, er det meget sandsynligt, at når du og jeg lugter til en appelsin for første gang, aktiverer vi forskellige mønstre af neural aktivitet i vores individuelle hjerner – men vi associerer begge den lugt med den samme frugt, fordi vi begge ser en appelsin. Bortset fra at associere lugten med objektet “appelsin”, har vi så faktisk en lignende oplevelse af den lugt? Måske, men de lugte, vi opfatter, kan være relative i forhold til alt andet, vi har lugtet i vores liv. For eksempel lugter en appelsin mere af citron, end den lugter af kaffe, og det gælder for os alle. Det betyder, at lighederne mellem den måde, individer opfatter lugte på, kan være rent relative – ganske enkelt, at vi alle er enige om, at et specifikt objekt lugter mere som nogle objekter end andre. Det er en god påmindelse om, at vores opfattelse af lugte ikke er absolut – i modsætning til vores opfattelse af f.eks. farven rød, som er baseret på lysets uforanderlige frekvens.
Der er et meget vigtigt og komplekst spørgsmål om perception, som videnskaben endnu ikke har besvaret. Dette spørgsmål gælder for lugtesansen og alle andre sanser og er derfor meget fundamentalt – spørgsmålet om, hvordan fortolkning af sanseinformation sker.
Som vi diskuterede, når hjernen behandler information fra sanserne, genereres der et specifikt mønster af elektrisk aktivitet i et bestemt sæt neuroner i hjernen, som repræsenterer den fysiske verden i hjernen gennem mønstre af neural aktivitet. Disse aktivitetsmønstre kan variere i tid (hvornår de opstår) og rum (hvor i hjernen de opstår). Så hele den fysiske verdens rigdom og variation er på en eller anden måde repræsenteret ved affyringen af specifikke grupper af neuroner på specifikke tidspunkter og steder i hjernen.
For forskerne indebærer det to ting: For det første, at den fysiske virkelighed abstraheres af hjernen, og for det andet, at hjernen skal fortolke denne abstrakte information for at give den en mening. For eksempel bliver et objekt i omverdenen, som en appelsin, oversat til et specifikt mønster af elektrisk aktivitet, der repræsenterer det i hjernen, og så “regner” hjernen meningen med denne elektriske aktivitet ud (at der er en appelsin derude i verden) ved at fortolke og give mening til denne aktivitet. Men hjernen skal på en eller anden måde forbinde dette aktivitetsmønster med en betydning som “dette er duften af en appelsin; det får mig til at føle mig godt tilpas, fordi det minder mig om den frugtplantage, jeg besøgte for et par år siden…”. I øjeblikket er dette overraskende “spring” fra elektrisk aktivitet i hjernen til den fortolkning og mening, vi lægger i det, et sandt mysterium – vi forstår endnu ikke, hvordan det sker. Jeg mener, at dette “magiske” skridt er den næste store gåde, som fremtidens hjerneforskere bør tage fat på. Måske vil du være en af dem?
Efter min mening er der en meget enkel måde at vælge, hvad man vil gøre i livet. Det er ligegyldigt, hvad du vælger – om det er videnskab eller byggeri. Men uanset hvad, så sørg for at vælge et område, som du elsker, dediker dig til det og arbejd på det med intensitet og passion. Det er det hele! Du skal være passioneret omkring det, du laver. Denne passion, næret af dygtighed og viden, vil drive dig frem til det ypperste. Så du skal opdage dit interesseområde og derefter lære så meget som muligt om dette område. Når passion og viden er bundet sammen, fører det ofte til kreativitet og lykke.
Olfaktorisk system: Det sensoriske system, der er ansvarligt for lugtesansen.
Lugtstof: Lugtmolekyler, der frigives fra genstande, bevæger sig gennem luften og kommer ind i næsen.
Næsens epitel: Et væv i den øverste bageste del af næsen, der er involveret i lugtesansen.
Receptor: Et molekyle på en celle, der interagerer meget specifikt med et andet molekyle, som en lås og en nøgle, og omsætter interaktionen til et signal i cellen.
Olfaktoriske sensoriske neuroner (OSN’er): Nerveceller, der indeholder lugtreceptorer, som omsætter interaktion med lugtstoffer til elektriske signaler, som går til hjernen.
Neuron: En nervecelle; den vigtigste celletype i hjernen. Neuroner genererer elektriske signaler og overfører dem til andre nerveceller.
Aksoner: Nervefibre, der fører elektriske signaler fra en neuron til en anden.
Olfaktorisk pære: Den første relæstation i hjernen, der er involveret i lugtesansen. Den modtager information fra OSN og overfører information om lugte til andre områder i hjernen.
Glomerulus: Et område i lugtekolben, hvor alle OSN’er, der udtrykker en bestemt receptor, konvergerer.
[1] Duchamp-Viret, P., Duchamp, A., og Chaput, M. A. 2003. Enkelte olfaktoriske sensoriske neuroner integrerer samtidigt komponenterne i en lugtblanding. Euro. J. Neurosci. 18:2690-6. doi: 10.1111/j.1460-9568.2003.03001.x
[2] Buck, L., og Axel, R. 1991. En ny multigenfamilie kan kode for lugtstofreceptorer: et molekylært grundlag for lugtgenkendelse. Cell. 65, 175-87. doi: 10.1016/0092-8674(91)90418-X
[3] Axel, R. 2005. Dufte og sensibilitet: En molekylær logik for olfaktorisk perception (Nobelforelæsning). Angewandte Chemie Int. Edn. 44:6110-27. doi: 10.1002/anie.200501726
[4] Mombaerts, P., Wang, F., Dulac, C., Chao, S. K., Nemes, A., Mendelsohn, M., et al. 1996. Visualisering af et olfaktorisk sensorisk kort. Cell. 87:675-86. doi: 10.1016/S0092-8674(00)81387-2
[5] Wilson, R. I. 2013. Tidlig olfaktorisk behandling i Drosophila: mekanismer og principper. Ann. Rev. Neurosci. 36:217. doi: 10.1146/annurev-neuro-062111-150533
[6] Shalit, M., Guterman, I., Volpin, H., Bar, E., Tamari, T., Menda, N., et al. 2003. Dannelse af flygtige estere i roser. Identifikation af en acetyl-coenzym A. Geraniol/citronellol acetyltransferase i rosenblade under udvikling. Plant Physiol. 131:1868-76. doi: 10.1104/pp.102.018572
Når du læser disse ord, er hundredvis af millioner af nerveceller elektrisk og kemisk aktive i din hjerne. Denne aktivitet gør det muligt for dig at genkende ord, fornemme verden, lære, nyde og skabe nye ting og være nysgerrig på verden omkring dig. Faktisk er vores hjerner – Homo sapiens‘ – de mest fascinerende fysiske substanser, der nogensinde er opstået på jorden for ca. 200.000 år siden. Hjernen er så nysgerrig og ambitiøs, at den stræber efter at forstå sig selv og helbrede sine skrøbelige elementer, når den bliver syg. Men på trods af de seneste vigtige fremskridt inden for hjerneforskningen ved vi stadig ikke, hvordan vi skal lægge brikkerne i hjernens puslespil. Det er på grund af dette, at der for nylig er startet flere store hjerneforskningsprojekter rundt om i verden. Vi deltager i et af dem – Human Brain Project (HBP) [1]. Hovedformålet er systematisk at katalogisere alt, hvad vi ved om hjernen, at udvikle geniale eksperimentelle og teoretiske metoder til at undersøge hjernen og at sammensætte alt, hvad vi har lært, til en computermodel af hjernen. Alt dette er muligt, da vores hjerne selv har designet kraftfulde computere, internettet og sofistikerede matematik- og softwareværktøjer, som snart vil være kraftfulde nok til at modellere noget så komplekst som den menneskelige hjerne i computeren. Dette projekt vil give en ny og dybere forståelse af vores hjerne, hjælpe os med at udvikle bedre kure mod dens sygdomme og i sidste ende også lære os, hvordan vi kan bygge smartere, lærende computere. Det vigtige er, at vores hjerne kun har brug for et par måltider om dagen (og måske lidt ekstra slik) for at klare det hele – det er meget mere energieffektivt end selv en simpel computer. Lad os så fortælle dig historien om HBP.
…
Vidste du, at læger kigger på tusindvis af menneskers hjerner hver dag? På hospitaler over hele landet kigger vi ind i patienternes hjerner for at se, om noget er gået galt, så vi kan forstå, hvordan vi kan hjælpe med at behandle den enkelte patients tilstand. Hjerneafbildningsteknologi spiller en vigtig rolle i at hjælpe læger med at diagnosticere og behandle tilstande som hjerneskader . Bag kulisserne er der særlige kameraer, som giver os mulighed for at se dybt ind i patienternes hjerner hver dag.
…
Hjernen har fascineret os i umindelige tider. Nogle af de første seriøse diskussioner om den menneskelige hjerne startede i det gamle Egypten, hvor kongen af Alexandria tillod dissektioner af forbrydere i levende live for at studere menneskets anatomi [1]. De, der udførte dissektionerne, åbnede kranieknoglen og så hjernen i levende live. Da de skar gennem hjernen, opdagede de store rum inde i den. Disse rum var forbundet med hinanden som kamre i et hus. De var også fyldt med en unik, krystalklar væske, som vi nu kender som cerebrospinalvæske eller hjernevæske. De var så begejstrede for dette fund! De troede, at menneskelige sjæl befinder sig i disse væskefyldte kamre. De forsøgte at forstå, hvordan væsken bevæger sig på tværs af disse kamre, fordi de troede, at det kunne forklare, hvordan det menneskelige sind fungerer.
…
Vidste du, at den mad, du spiser, påvirker dit helbred? Vigtigst af alt kan det, du spiser, have en negativ effekt på det mest komplekse organ i din krop: din hjerne! Utroligt nok påvirker den mad, du spiser, neuronerne, som er de vigtigste celler i hjernen. I hjernen forårsager en usund kost, der er rig på fedt og sukker, betændelse i neuroner og hæmmer dannelsen af nye neuroner. Det kan påvirke den måde, hjernen fungerer på, og bidrage til hjernesygdomme som depression. På den anden side er en kost, der indeholder sunde næringsstoffer som f.eks. omega-3-fedtsyrer, gavnlig for hjernens sundhed. En sådan kost forbedrer dannelsen af neuroner og fører til forbedret tænkning, opmærksomhed og hukommelse. Alt i alt gør en sund kost hjernen glad, så vi bør alle være opmærksomme på, hvad vi spiser.
…Få inspiration og viden om praksis og cases, evidens og forskning, kurser, netværksmøder og vores Læringsplatform – alt sammen til at styrke din faglige udvikling.
Du kan til enhver tid trække dit samtykke tilbage ved at afmelde dig nyhedsmailen.
Du modtager om et øjeblik en e-mail med et link, hvor du bekræfter tilmeldingen.
Med venlig hilsen
MiLife
