I neuroscienziati descrivono per la prima volta come le relazioni tra i diversi odori sono codificate nel nostro cervello. I risultati suggeriscono un meccanismo che può spiegare perché gli individui hanno esperienze comuni ma altamente personalizzate con l’odore; e chiariscono come capire meglio il modo in cui il cervello trasforma i dati sulla chimica degli odori nella percezione dell’odore.
Il cervello e i dati sugli odori: una ricerca importante suggerita da un film degli anni ‘60
Quanti di voi ricordano il famoso film del 1960 Profumo di mistero? la prima di questo film ha davvero segnato singolarmente il mondo del cinema. Fu anche il primo e ultimo debutto cinematografico della “Smell-O-Vision“.
La pellicola aveva lo scopo di stupire gli spettatori con un’esperienza olfattiva dinamica.
Alcune sale, ben selezionate, furono dotate di un dispositivo alla Rube Goldberg, che convogliava diversi profumi direttamente sui sedili monoposto degli spettatori.
Il pubblico e la critica hanno rapidamente concluso che l’esperienza non era stata affatto piacevole; in qualche vecchia dichiarazione, qualcuno addirittura si espresse con “esperienza schifosa”.
Ciò fece naufragare le speranze di successo. Cui seguirono parecchie controversie.
Piena di problemi tecnici, Smell-O-Vision fu stroncata, diventando una specie di “gag” in corsa ad occupare un posto unico nella storia dell’intrattenimento.
Il flop di Smell-O-Vision, tuttavia, non è riuscito a dissuadere gli imprenditori dal continuare a inseguire il sogno di proporre profumi ai consumatori; in particolare – negli ultimi anni – attraverso le tecnologie digitali.
Tali sforzi, hanno fatto notizia, ma davvero con scarso successo, dovuto in parte a una limitata comprensione di come il cervello traduce la chimica degli odori in percezioni dell’olfatto – un fenomeno che per molti versi rimane ancora da chiarire anche per gli scienziati.
Uno studio condotto dai neurobiologi della Harvard Medical School fornisce ora nuove intuizioni sul mistero dell’odore.
Su Nature del 1° luglio, i ricercatori descrivono come le relazioni tra i diversi odori sono codificate nella corteccia olfattiva. Ovvero la regione del cervello responsabile dell’elaborazione dell’odore.
Come l’attività neurale interpreta gli odori associandoli ad esperienze sensoriali
Testando gli odori con strutture molecolari accuratamente selezionate e analizzando l’attività neurale nei topi, il team ha dimostrato che le rappresentazioni neuronali dell’odore nella corteccia, riflettono somiglianze chimiche tra i diversi odori; permettendo così ai profumi di essere inseriti in categorie dal cervello. Inoltre, queste rappresentazioni possono essere ricablate in modo tale da essere poi associate ad esperienze sensoriali.
I risultati suggeriscono un meccanismo neurobiologico che può spiegare perché gli individui hanno esperienze comuni ma altamente personalizzate con l’olfatto.
“Tutti noi condividiamo un quadro di riferimento comune con gli odori. Sia tu che io pensiamo che il limone e il lime abbiano un odore simile; e siamo d’accordo che hanno un odore diverso dalla pizza. Ma fino ad ora non sapevamo come il cervello organizza questo tipo di informazioni“. Dichiara l’autore senior dello studio Sandeep Robert Datta, professore associato di neurobiologia presso l’Istituto Blavatnik dell’HMS.
I risultati aprono nuove strade di studio per capire meglio come il cervello trasforma le informazioni sulla chimica degli odori nella percezione dell’olfatto.
“Questa è la prima dimostrazione di come la corteccia olfattiva codifichi le informazioni il dato di cui è responsabile, che è la chimica degli odori; gli spunti sensoriali fondamentali dell’olfatto“; ha detto Datta.
Odore computazionale
L’olfatto permette agli animali di identificare la natura chimica del mondo che li circonda. I neuroni sensoriali nel naso rilevano le molecole di odore e trasmettono i segnali al bulbo olfattivo – centro nevralgico del riconoscimento degli odori – una struttura nel proencefalo dove avviene l’elaborazione iniziale dell’odore.
Il bulbo olfattivo trasmette principalmente informazioni alla corteccia piriforme, la struttura principale della corteccia olfattiva, per un’elaborazione più completa.
A differenza della luce o del suono, stimoli facilmente controllabili con caratteristiche di tweaking come la frequenza e la lunghezza d’onda, è difficile “sondare” come il cervello costruisce rappresentazioni neurali delle piccole molecole che trasmettono l’odore.
Spesso, sottili cambiamenti chimici – qualche atomo di carbonio qui o qualche atomo di ossigeno là – possono portare a differenze significative nella percezione dell’odore.
Il prof. Datta, insieme all’autore del primo studio Stan Pashkovski, ricercatore in neurobiologia presso la HMS, e ai colleghi, ha affrontato questa sfida; concentrandosi sulla questione di come il cervello identifica gli odori correlati ma distinti.
“Il fatto che tutti noi pensiamo che l’odore di limone e lime sia simile significa che la loro composizione chimica deve in qualche modo evocare rappresentazioni neurali simili o correlate nel nostro cervello”; rileva Datta.
Hanno usato l’apprendimento automatico (machine learning) per guardare migliaia di strutture chimiche note per i loro odori e hanno analizzato migliaia di caratteristiche diverse per ogni struttura.
Insieme al numero di atomi, il peso molecolare, le proprietà elettrochimiche e altro ancora. La somma di questi dati ha permesso ai ricercatori di calcolare sistematicamente quanto simile o diverso fosse ogni odore rispetto ad un altro.
Da questa raccolta, il team ha progettato tre serie di odori: una serie con alta diversità; una con diversità intermedia, con gli odori divisi in cluster correlati. Ed infine una di bassa diversità, dove le strutture variavano solo per incrementi incrementali della lunghezza della catena del carbonio.
Hanno poi esposto i topi a varie combinazioni di odori provenienti dai diversi insiemi; e hanno usato la microscopia multifotonica a modelli d’immagine di attività neurale nella corteccia piriforme e bulbo olfattivo.
Previsione dell’olfatto
Gli esperimenti hanno rivelato che le somiglianze nella chimica degli odori sono state rispecchiate dalle somiglianze nell’attività neurale.
Odori ben relazionati hanno prodotto modelli neuronali relazionati; sia nella corteccia piriforme e bulbo olfattivo, come misurato da sovrapposizioni di attività neuronale. Odori debolmente connessi, al contrario, hanno prodotto modelli di attività debolmente connessi.
Nella corteccia, gli odori correlati hanno portato a modelli più fortemente raggruppati di attività neurale rispetto ai modelli nel bulbo olfattivo. Questa osservazione è rimasta valida per i singoli topi.
Ulteriori analisi hanno identificato una serie diversificata di caratteristiche chimiche, come il peso molecolare e alcune proprietà elettrochimiche, che erano collegate a modelli di attività neurale.
Le informazioni ricavate da queste caratteristiche erano abbastanza robuste da poter prevedere le risposte corticali a un odore in un animale sulla base di esperimenti con un insieme separato di odori in un animale diverso.
I ricercatori hanno anche scoperto che queste rappresentazioni neurali erano flessibili.
Ai topi sono state ripetutamente date una miscela di due odori, e nel corso del tempo, i modelli neurali corrispondenti a questi odori nella corteccia sono diventati più riconoscibili. Questo si è verificato anche quando i due odori avevano strutture chimiche dissimili.
La capacità della corteccia di adattarsi è stata generata in parte da reti di neuroni che rimodellano selettivamente le relazioni odorose.
Come il cervello associa e codifica gli odori
“La plasticità della corteccia può aiutare a spiegare perché l’odore è da un lato invariante tra gli individui, e dall’altro personalizzabile a seconda delle nostre esperienze uniche“; continua Datta.
Insieme, i risultati dello studio dimostrano per la prima volta come il cervello codifichi le relazioni tra gli odori. Rispetto alle cortecce visive e uditive relativamente ben comprese, non è ancora chiaro come la corteccia olfattiva converta le informazioni sulla chimica degli odori nella percezione dell’odore.
Identificare come la corteccia olfattiva mappi gli odori simili fornisce ora nuove intuizioni che informano gli sforzi per comprendere e potenzialmente controllare l’olfatto, secondo gli autori.
“Non comprendiamo ancora appieno come la chimica si traduce in percezione“, ha detto Datta. “Non c’è un algoritmo o una macchina del computer che prenda una struttura chimica e ci dica come sarà l’odore di quella sostanza chimica”.
“Per costruire effettivamente quella macchina e per essere in grado un giorno di creare un mondo olfattivo virtuale e controllabile per una persona, dobbiamo capire come il cervello codifica le informazioni sugli odori“, ha detto Datta. “Speriamo che le nostre scoperte siano un passo avanti su questa strada“.
Altri autori dello studio sono Giuliano Iurilli, David Brann, Daniel Chicharro, Kristen Drummey, Kevin Franks e Stefano Panzeri.
Lo studio è stato sostenuto dalla Fondazione Vallee, dal National Institutes of Health e dalla Simons Collaboration on the Global Brain.
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