The role of calcium-activated chloride channels in olfactory signal processing
Animal Physiology and Biochemistry
Sensory and Behavioural Biology
Final Report Abstract
Bei Kontakt mit Geruchstoffen werden in Riechzellen zwei depolarisierende Ströme aktiviert, ein cAMP-gesteuerter Kationenstrom und ein Calcium-aktivierter Chloridstrom. Der Chloridstrom wird durch ANO2-Kanäle geleitet und fließt aus der Zelle heraus. Er verstärkt dadurch die Depolarisierung der Riechzelle und ihre elektrische Erregung. Unsere Experimente haben gezeigt, dass starke, unbekannte Gerüche sowie schwache bekannte Gerüche auch ohne diese chloridbasierte Verstärkung wahrgenommen werden können. Im Gegensatz dazu funktioniert die Wahrnehmung schwacher, unbekannter Gerüche ohne den Verstärkungsmechanismus schlecht. Messungen der elektrischen Reaktion von Riechzellen zeigten, dass das geruchsinduzierte Rezeptorpotential nur bei schwachen Stimuli durch ANO2 verstärkt wurde, bei starken Stimuli jedoch nicht. Der Grund dafür ist, dass der Kationenstrom bei schwachen Stimuli wesentlich kleiner ist als der Chloridstrom, bei starken Stimuli jedoch wesentlich größer. In diesem Projekt ist zum ersten Mal deutlich geworden, warum Riechzellen mit einer chloridbasierten Verstärkung ausgestattet sind. Obwohl die Existenz dieses Verstärkungsmechanismus schon seit 25 Jahren bekannt war, konnte seine physiologische Funktion nur postuliert, nicht aber nachgewiesen werden. Das ganze Konzept der Verstärkung durch ANO2-Kanäle war daher spekulativ und kontrovers. Wir konnten im vorliegenden Projekt durch eine Kombination von Verhaltenstests mit elektrophysiologischen Messungen zeigen, dass die Signalverstärkung für die Wahrnehmung schwacher Gerüche immer dann benötigt wird, wenn der Geruchstoff dem Tier noch nicht bekannt ist. Unter diesen besonderen Bedingungen muss das Tier auf der Basis eines schwachen Sinneseindrucks die Qualität des Geruchstoffs als identifizierbares Objekt im Riechgedächtnis speichern. Erst wenn das gelungen ist, kann der Geruch auch bei niedrigen Konzentrationen ohne weiteres wahrgenommen werden. Denn Riechen beruht – nach dem heutigen Konzept der kognitiven Verarbeitung von Geruchsinformation – auf dem Wiedererkennen eines gespeicherten Riechobjektes. Mäuse benötigen die Verstärkung durch ANO2, um die Eigenschaften eines schwachen, neuen Geruchs so deutlich aus dem Geruchshintergrund hervortreten zu lassen, dass der Geruch im Riechgedächtnis als identifizierbares Objekt gespeichert werden kann. Besondere Riechleistungen bei schwachen Geruchsreizen, beispielsweise das Verfolgen einer Geruchspur, beruhen - nach den hier gewonnen Erkenntnissen - auf der Fähigkeit, auch unbekannte Komponenten der Spur im Riechgedächtnis zu speichern.
Publications
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(2016) Properties of an optogenetic model for olfactory stimulation. Journal of Physiology 595: 3501-3516
Genovese F, Thews M, Möhrlen F, Frings S
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(2017) Impaired motor coordination and learning in mice lacking anoctamin-2 calcium-gated chloride channels. Cerebellum 16: 929-937
Neureither F, Ziegler K, Pitzer C, Frings S, Möhrlen F
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(2017) Possible role of calcitonin gene-related peptide in trigeminal modulation of glomerular microcircuits of the rodent olfactory bulb. Eur J Neurosci 45: 587-600
Genovese, F., Bauersachs, H.G., Gräßer, I., Kupke, J., Magin, L., Daiber, P., Nakajima, J., Möhrlen, F., Messlinger, K., Frings, S.
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(2017) Tracking of unfamiliar odors is facilitated by signal amplification through anoctamin 2 chloride channels in mouse olfactory receptor neurons. Physiological Reports 5: e13373
Neureither F, Stowasser N, Frings S, Möhrlen F
