نمط محفوظ تطوريًا لإعادة تنسيق تركيز الرائحة في الدوائر الشمية المبكرة

فهم كيفية إعادة تنسيق المحفزات من المحيط الحسي تدريجياً لإنتاج تمثيلات مفيدة هو تحدٍ أساسي في علم الأعصاب. في الشم، يعتبر تقييم تركيز الرائحة أمرًا رئيسيًا للعديد من السلوكيات، مثل المتابعة والملاحة. في البداية، مع زيادة تركيز الرائحة، تزداد الاستجابة المتوسطة للعصبونات الحسية من الدرجة الأولى أيضًا. ومع ذلك، تظل الاستجابة المتوسطة للعصبونات من الدرجة الثانية ثابتة مع زيادة التركيز - وهي تحول يُعتقد أنه يساعد في تحديد الروائح المستقرة على الرغم من أنه يبدو أنه يتجاهل معلومات التركيز قبل أن تُرسل إلى مناطق الدماغ العليا. من خلال دمج تحليل البيانات العصبية من أنواع متنوعة مع النمذجة الحاسوبية، نقترح استراتيجيات تحافظ من خلالها العصبونات من الدرجة الثانية على معلومات التركيز، على الرغم من الاستجابات الثابتة على مستوى السكان. نجد أن العصبونات من الدرجة الثانية الفردية لديها منحنيات استجابة لتركزات متنوعة فريدة لكل مادة كيميائية — بعض العصبونات تستجيب أكثر مع زيادة التركيز بينما تستجيب أخرى أقل — ومعاً، تُنتج هذه التنوعات تمثيلات تركيبية متميزة لتركيزات مختلفة. نوضح أن هذا المخطط الترميزي يمكن أن يُعاد استخدامه من خلال حساب الدارات، والذي يسمى التطبيع القائم على القسمة، ونستنتج شروطا كافية لظهور هذا التنوع. ثم نناقش آليتين (معدل الطلقات مقابل توقيت الطلقات) يمكن أن تفكك من خلالها مناطق الدماغ العليا تركيز الرائحة من التمثيلات المعاد تنسيقها. نظرًا لأن أنظمة الشم في الفقاريات واللافقاريات تطورت على الأرجح بشكل مستقل، توحي نتائجنا بأن التطور اتجه نحو حلول خوارزمية مماثلة على الرغم من الاختلافات الكبيرة في هياكل الدارات العصبية. أخيرًا، في الفقاريات الأرضية تطور مسار شم موازٍ لا تظهر فيه العصبونات من الدرجة الثانية مثل هذه المنحنيات الاستجابية المتنوعة؛ بل تمثل العصبونات في هذا المسار معلومات التركيز بشكل أكثر أحادية على المتوسط، مما يسمح بسهولة أكبر في تحديد المواقع والتمييز بين الروائح على حساب زيادة استهلاك الطاقة.