La capacità di rilevare e discriminare vari odori è essenziale per la sopravvivenza, aiutando nell’identificazione di fonti di cibo, potenziali compagni e pericoli ambientali. Il legame tra percezione olfattiva e comportamento è un argomento di grande interesse scientifico, poiché comprendere come il cervello elabora le informazioni sugli odori e le traduce in risposte comportamentali fa luce su aspetti fondamentali dell’elaborazione sensoriale e dell’apprendimento.
In questo studio, approfondiamo gli intricati meccanismi neurali alla base delle preferenze olfattive innate e acquisite, svelando la logica di codifica spaziotemporale che governa questi processi.
Risposte neurali e rilevanza comportamentale
Lo studio inizia esaminando le risposte neurali suscitate da diversi odori. È ben noto che gli odori attivano circuiti neurali specifici nel sistema olfattivo, con il lobo dell’antenna che funge da primo centro di elaborazione.
Gli odori associati a preferenze appetitive positive evocano risposte neurali sovrapposte sia durante la presentazione dell’odore (risposte ON) che dopo la cessazione dell’odore (risposte OFF).
Allo stesso modo, gli odori con preferenze negative o neutre evocano distinti cluster di risposta ON e OFF. Questa organizzazione spaziotemporale delle risposte neurali consente la previsione di risposte comportamentali innate utilizzando diversi sottoinsiemi di neuroni.
Apprendimento associativo e condizionamento pavloviano
I ricercatori quindi studiano come le ricompense gustative possono modellare le preferenze olfattive attraverso l’apprendimento associativo. Dimostrano che fornire ricompense durante epoche specifiche di risposte neurali porta a un condizionamento pavloviano di successo. In particolare, le associazioni odore-ricompensa sono efficaci per gli odori appetitivi, con conseguente aumento delle risposte comportamentali.
Complessità della mappatura del comportamento chimico-odore
Per esplorare se le preferenze olfattive possono essere previste direttamente dalle caratteristiche chimiche, i ricercatori analizzano le proprietà chimiche e le preferenze appetitive. Sorprendentemente, scoprono che le caratteristiche chimiche non sono strettamente correlate alle preferenze comportamentali. Odori chimicamente simili possono evocare risposte neurali divergenti, mentre sostanze chimiche distinte possono evocare preferenze simili.
Questa non linearità suggerisce che le risposte neurali mirano a generare risultati comportamentali appropriati piuttosto che rappresentare semplicemente caratteristiche chimiche.
La mappatura chimico-odore-comportamentale è un processo complesso che coinvolge l’interazione di molti fattori diversi, tra cui:
- La composizione chimica della molecola dell’odore.
- I recettori olfattivi nel naso.
- La corteccia olfattiva del cervello.
- Il comportamento dell’animale.
La composizione chimica della molecola dell’odore è un fattore importante nel determinare il suo odore. Diverse molecole di odore hanno forme e dimensioni diverse e queste proprietà influenzano il modo in cui interagiscono con i recettori olfattivi nel naso. I recettori olfattivi sono proteine che si legano a specifiche molecole di odore. Quando una molecola di odore si lega a un recettore olfattivo, invia un segnale alla corteccia olfattiva del cervello. La corteccia olfattiva quindi interpreta questo segnale e crea una percezione dell’odore.
La corteccia olfattiva del cervello è anche responsabile dell’apprendimento e dell’associazione degli odori a comportamenti specifici. Ad esempio, un cane può imparare ad associare l’odore del cibo con il comportamento del mangiare. Questo processo di apprendimento può essere influenzato da una serie di fattori, tra cui la genetica dell’animale, il suo ambiente e le sue esperienze.
Anche il comportamento dell’animale è un fattore nella mappatura del comportamento chimico-odore. Ad esempio, una falena può volare verso l’odore di un fiore perché sa che il fiore contiene nettare. Il comportamento della falena è influenzato dal suo stato interno, come il suo livello di fame, e dall’ambiente esterno, come la presenza di predatori.
La mappatura chimico-odore-comportamentale è un processo complesso che non è ancora del tutto compreso. Tuttavia, gli scienziati stanno imparando di più su questo processo ogni giorno e questa conoscenza viene utilizzata per sviluppare nuove tecnologie, come sistemi di somministrazione di farmaci basati sull’odore e metodi di controllo dei parassiti basati sull’odore.
Ecco alcuni fattori aggiuntivi che possono contribuire alla complessità della mappatura del comportamento chimico-odore:
- La presenza di altri odori nell’ambiente.
- L’età e il sesso dell’animale.
- Lo stato di salute dell’animale.
- La storia dell’apprendimento dell’animale.
- L’attuale stato emotivo dell’animale.
La mappatura chimico-odore-comportamentale è un processo dinamico in continua evoluzione. L’ambiente dell’animale, il suo stato interno e le sue esperienze possono influenzare il modo in cui risponde agli odori. Ciò rende difficile prevedere come si comporterà un animale in risposta a un particolare odore. Tuttavia, comprendendo i fattori che influenzano la mappatura del comportamento chimico-odore, gli scienziati possono ottenere una migliore comprensione di come gli animali interagiscono con il loro ambiente.
Codifica e robustezza dei singoli neuroni
A livello di singolo neurone, un sottoinsieme di neuroni di proiezione (PN) mostra forti correlazioni con le preferenze olfattive innate complessive. Sebbene questi neuroni possano offrire un modello semplice per prevedere i risultati comportamentali, le loro risposte sono influenzate da molteplici fattori, che portano all’imprevedibilità. I ricercatori propongono che un modello più robusto implichi una lettura combinatoria dell’attività dell’insieme.
Generalizzazione e modelli di reti neurali
Lo studio esplora come le preferenze appetitive delle locuste possono generalizzarsi attraverso il condizionamento associativo. La generalizzazione avviene in modo asimmetrico, migliorando le risposte agli odori appetitivi non allenati. Un modello di rete neurale rivela che caratteristiche specifiche, inclusa la sovrapposizione nelle risposte neurali e la plasticità in un sottoinsieme di neuroni attivati da odori appetitivi, contribuiscono a questo effetto di apprendimento.
Logica di codifica spaziotemporale
I risultati dello studio culminano in una logica di codifica spaziotemporale che è alla base delle preferenze olfattive sia innate che acquisite. Le risposte neurali sono organizzate in varietà a bassa dimensione, distinte per odori appetiti e non appetiti. Queste varietà neurali facilitano la previsione delle risposte comportamentali e offrono approfondimenti sui meccanismi di apprendimento associativo.
Conclusione
Questo studio completo fornisce nuove informazioni sulle basi neurali delle preferenze olfattive. Esaminando l’interazione tra risposte neurali, rilevanza comportamentale, apprendimento associativo e proprietà chimiche, i ricercatori svelano le complessità di come il cervello elabora gli odori e genera risultati comportamentali appropriati.
La logica di codifica spaziotemporale svelata in questo studio fa luce sugli intricati meccanismi che guidano le preferenze olfattive innate e acquisite, offrendo una comprensione più profonda della percezione sensoriale e dei processi di apprendimento.
link di riferimento: https://www.nature.com/articles/s41467-023-40443-2
