Știința mirosului este pe cât de simplă, pe atât de surprinzătoare

Indiferent de anotimp, fie că o miroși afară sau înăuntru, acasă sau la o cafenea, cafeaua va mirosi mereu la fel. Știința mirosului ne spune de ce putem deosebi aromele între ele.

De ce alte mirosuri sau diferiți factori de mediu nu „intervin” în experiența de a mirosi aromele individual? Cercetătorii de la McKelvey School of Engineering de la Universitatea Washington din St. Louis și-au îndreptat atenție spre subiectul lor de încredere, lăcusta, pentru a afla.

• Telescopul Webb a găsit o populație neobișnuit de mare de asteroizi între Jupiter și Marte
• Un nou studiu dezvăluie cum au jucat cometele un rol „major” în apariția vieții pe Pământ

Rezultatele au fost „surprinzător de simple”, potrivit lui Barani Raman, profesor de inginerie biomedicală, acestea fiind publicate în revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Raman și colegii săi lucrează cu lăcuste de ani de zile, urmărindu-le creierul și comportamentele legate de miros, în încercarea de a crea lăcuste care detectează bombe. Pe parcurs, aceștia au obținut informații substanțiale pentru a înțelege cum funcționează mirosul lăcustelor.

Pentru a afla mai multe despre știința mirosului, cercetătorii au dresat lăcustele

Pentru a înțelege știința mirosului ce stă în spatele capacității lăcustei de a recunoaște în mod constant aromele, indiferent de context, cercetătorii s-au inspirat de la Ivan Pavlov.

La fel ca și câinii lui Pavlov, lăcustele au fost dresate să asocieze un miros cu hrana, preferința lor fiind un fir de iarbă. După ce a stat o zi fără mâncare, o lăcustă a fost expusă la un miros (hexanol sau acetat de izoamil), apoi i s-a dat un fir de iarbă.

După doar șase astfel de repetiții, lăcusta a învățat să-și deschidă palpele (anexele senzoriale din apropierea gurii) în așteptarea unei gustări după ce a mirosit pur și simplu „aroma de antrenament”. La fel cum noi recunoaștem cafeaua, lăcusta dresată poate recunoaște mirosul și nu a lăsat alți factori să intervină în asta.

În acest moment, cercetătorii au început să analizeze ce neuroni se declanșează atunci când lăcustele sunt expuse la miros în diferite condiții, inclusiv în combinație cu alte mirosuri, în condiții umede sau uscate, când sunt înfometate sau hrănite complet, „dresate” sau nu și pentru diferite perioade de timp.

Apoi cercetătorii au creat un algoritm bazat pe învățare automată

În diferite circumstanțe, cercetătorii au observat că modele extrem de inconsecvente ale neuronilor au fost activate, chiar dacă palpele lăcustei s-au deschis de fiecare dată.

„Răspunsurile neuronale au fost foarte variabile. Asta părea să fie în contradicție cu ceea ce făceau lăcustele, din punct de vedere comportamental”, a spus Raman.

Cum ar putea răspunsurile neuronale variabile să producă un comportament consistent sau stabil? Pentru a verifica acest lucru, cercetătorii au apelat la un algoritm de învățare automată.

„Am vrut să vedem dacă, având în vedere aceste modele variabile de răspuns neuronal, putem prezice comportamentul lăcustelor. Răspunsul a fost da, putem”, a declarat profesorul Barani Raman.

Tot ce era necesar pentru a recunoaște în mod constant un miros

Algoritmul s-a dovedit a fi foarte simplu de interpretat. S-a bazat pe două tipuri funcționale de neuroni: există neuroni ON, care sunt activați atunci când este prezentă o aromă, și există neuroni OFF, care sunt opriți atunci când este prezentă o aromă, dar devin activați după terminarea prezenței mirosului.

„Puteți să vă gândiți la neuronii ON ca transmițând dovezi pentru prezența unui miros, iar neuronii OFF ca dovezi împotriva acelui miros”, a spus Raman.

Pentru a recunoaște prezența unei arome, cercetătorii au adăugat dovezi pentru prezența acelui miros (adică să adauge vârfurile pe toți neuronii ON) și să scadă dovezile împotriva prezenței mirosului (adică să adauge vârfurile pe toți neuronii OFF). Dacă rezultatul era peste un anumit prag, învățarea automată prezicea că lăcusta a simțit mirosul.

„Am fost surprinși să constatăm că această abordare simplă este tot ce era necesar pentru a recunoaște în mod constant un miros”, a spus Raman, citat de Science Daily.

Informațiile transmise de neuronii ON și „tăcerea” neuronilor OFF

Raman a asemănat procesul cu achiziția unei cămăși. Să presupunem că avem o listă de calități pe care le căutăm: bumbac, mâneci lungi, cu nasturi, unicolor, poate un buzunar în față pentru a ține ochelarii și câteva lucruri pe care nu ni le dorim, cum ar fi curățarea exclusiv chimică.

S-ar putea să avem noroc și să găsim o cămașă care este exact ceea ce căutăm. Dar, mai pragmatic, vom face o achiziție atât timp cât cele mai multe dintre caracteristicile pe care le căutăm sunt prezente și majoritatea caracteristicilor negative nu sunt prezente.

Găsirea caracteristicilor dorite este similară cu informațiile transmise de neuronii ON. Absența caracteristicilor negative este similară cu „tăcerea” neuronilor OFF. Atât timp cât suficienți neuroni ON care sunt de obicei activați de un miros s-au declanșat (și majoritatea neuronilor OFF nu s-au declanșat) putem prezice cu destul de mare precizie că lăcusta își va deschide palpele în așteptarea unei gustări ierboase.

Vă recomandăm să citiți și:

O afecțiune ciudată afectează tot mai mulți tineri dintr-o provincie canadiană

O mutație genetică veche de 5.000 de ani afectează și acum generații întregi

Cercetătorii încep să înțeleagă cum și de ce apare cancerul pulmonar în cazul nefumătorilor

Oamenii evoluează mai repede ca niciodată, iar cauza nu este genetică. Ce spune un nou studiu