Từ lâu khứu giác vẫn là thứ cảm giác bí ẩn nhất trong số những giác quan của chúng ta. Những nguyên tắc cơ bản của việc nhận biết và ghi nhớ được chừng 10000 mùi khác nhau vẫn chưa được hiểu rõ. Những xsnhà khoa học đoạt giải Nobel Y học năm nay đã giải quyết được vấn đề này và trong một loạt nghiên cứu đi tiên phong đã làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của hệ thống khứu giác. Họ đã phát hiện ra một họ gen lớn gồm khoảng 1000 gen khác nhau (chiếm 3% số gen của cơ thể) tạo ra một số lượng tương đương các týp thụ thể khứu giác. Những thụ thể này nằm ở các tế bào cảm thụ mùi, chiếm một diện tích nhỏ ở phần trên của biểu mô mũi và phát hiện các phân tử mùi hít vào.
Mỗi tế bào cảm thụ khứu giác chỉ có một týp thụ thể mùi, và mỗi thụ thể có thể phát hiện một số lượng chất thơm nhất định. Do đó các tế bào cảm thụ khứu giác rất đặc hiệu cho một vài loại mùi. Các tế bào này gửi những nhánh thần kinh nhỏ tới những vùng cực nhỏ khác nhau có tên là những cuộn mạch ở hành khứu, vùng khứu giác cơ bản của não. Các tế bào cảm thụ mang cùng một týp thụ thể gửi dây thần kinh tới cùng một cuộn mạch. Từ những vùng rất nhỏ này ở hành khứu thông tin được truyền tới những vùng khác của não, ở đó thông tin từ nhiều thụ thể khứu giác được kết hợp lại tạo nên một kiểu mùi . Do đó, chúng ta có thể nhận biết được mùi của bông hoa tử đinh hương trong mùa xuân và nhớ lại được ký ức về mùi hương này vào những thời điểm khác.
Ric-hard Axel, New York, Mỹ và Linda Buck, Seatle, Mỹ đã cùng công bố một công trình nghiên cứu cơ bản vào năm 1991, trong đó họ mô tả một họ gen rất lớn gồm khoảng 1000 gen qui định các thụ thể mùi. Sau đó Axel và Buck đã làm việc độc lập với nhau và họ đã có nhiều nghiên cứu, thường là song song, làm sáng tỏ hệ thống khứu giác, từ mức độ phân tử tới tổ chức tế bào.
Hệ thống khứu giác rất quan trọng đối với chất lượng sống
Một món ăn ngon sẽ kích hoạt chủ yếu hệ thống khứu giác giúp ta phát hiện được món mà ta ưa thích. Một ly rượu vang loại ngon hoặc một trái dâu rừng chín mọng sẽ kích hoạt toàn bộ các thụ thể cảm nhận mùi, giúp chúng ta nhận biết được các phân tử mùi khác nhau.
Một mùi đặc biệt có thể gợi lại ký ức xa xôi từ thời thơ ấu hoặc từ những khoảnh khắc xúc động – vui hoặc buồn – khi ta lớn lên. Một con trai không được tươi và khiến ta đau bụng có thể khiến ta nhớ mãi đến nhiều năm sau, và khiến ta không dám đụng đũa vào bất kỳ đĩa thức ăn nào, tuy ngon lành, nhưng lại có món trai. Mất cảm giác về mùi là một cản trở nghiêm trọng – chúng ta không còn nhận biết được các món ăn khác nhau và không thể phát hiện được những tín hiệu cảnh báo, như khói từ một đám cháy.
Khứu giác là giác quan quan trọng nhất đối với hầu hết các loài
Tất cả các sinh vật sống đều có thể phát hiên và xác định được các chất trong môi trường. Rõ ràng một trong những giá trị sống lớn nhất là có thể xác định được món ăn phù hợp và tránh được những thứ thực phẩm ôi thiu hoặc không thích hợp. Trong khi cá có khá ít thụ thể mùi, khoảng một trăm, thì chuột nhắt – loài vật được Axel và Buck nghiên cứu – có khoảng một nghìn. Loài người có số lượng thụ thể ít hơn chuột; một số gen đã bị mất đi trong quá trình tiến hóa.
Khứu giác rõ ràng là rất quan trọng đối với động vật có vú mới đẻ để tìm được vú của mẹ và bú sữa – không có khứu giác con vật sẽ chết nếu không được giúp đỡ. Khứu giác cũng có tầm quan trọng lớn đối với nhiều động vật trưởng thành, vì chúng quan sát và nhận biết môi trường phần lớn nhờ cảm giác mùi. Ví dụ, diện tích biểu mô khứu giác của chó lớn gấp khoảng 40 lần so với của người.
Một họ thụ thể mùi lớn
Hệ thống khứu giác là hệ thống giác quan đầu tiên của chúng ta được giải mã chủ yếu bằng các kỹ thuật phân tử. Axel và Buck đã cho thấy 3% số gen của chúng ta được dùng để mã hóa cho các thụ thể mùi khác nhau trên màng tế bào cảm thụ khứu giác. Khi thụ thể mùi được hoạt hóa bởi một chất có mùi, tín hiệu điện xuất phát ở tế bào cảm thụ khứu giác được truyền đến não thông qua các nhánh thần kinh. Ðầu tiên mỗi thụ thể mùi hoạt hóa một protein G đi đôi với nó. Protein G lại kích thích hình thành cAMP (cyclic AMP – AMP vòng). Phân tử truyền tin này hoạt hóa các kênh ion khiến chúng mở ra và tế bào được kích hoạt. Axel và Buck đã chứng minh rằng một họ thụ thể mùi lớn là thuộc về các thụ thể cặp đôi với protein G (GPCR).
Tất cả các thụ thể mùi đều là những protein cùng họ nhưng khác nhau ở một số chi tiết. Ðiều này giải thích tại sao chúng lại bị kích thích bởi những phân tử mùi khác nhau. Mỗi thụ thể chứa một chuỗi acid amin bám vào màng tế bào và đi ngang qua nó bảy lần. Chuỗi này tạo thành một túi gắn kết nơi mà mùi hương có thể gắn vào. Khi điều này xảy ra, hình dạng của protein thụ thể bị biến đối, dẫn đến hoạt hóa protein G.
Một týp thụ thể mùi ở mỗi tế bào cảm thụ khứu giác
Ðộc lập với nhau, Axel và Buck đã chứng minh rằng mỗi tế vào cảm thụ khứu giác biểu hiện một và chỉ một gen thụ thể mùi. Do đó, có nhiều týp tế bào cảm thụ khứu giác do có nhiều thụ thể khứu giác. Bằng cách ghi lại các tín hiệu điện từ từng tế bào cảm thụ khứu giác, có thể thấy rằng mỗi tế bào không chỉ phản ứng với một chất có mùi, mà phản ứng với nhiều phân tử liên quan – mặc dù với cường độ khác nhau.
Nhóm nghiên cứu của Buck đã tìm hiểu độ nhạy của từng tế bào cảm thụ khứu giác với những mùi đặc trưng. Bằng ống hút, họ đã hút cạn chất chứa trong từng tế bài và cho thấy chính xác gen thụ thể mùi nào biểu hiện ở tế bào đó. Bằng cách này, có thể liên hệ đáp ứng với một mùi đặc trưng với týp thụ thể đặc thù mà tế bào đó mang.
Hầu hết các mùi đều bao gồm nhiều phân tử mùi, và mỗi phân tử mùi hoạt hóa nhiều thụ thể mùi. Ðiều này dẫn đến một bộ mã phối hợp tạo thành một "kiểu mùi" – tương tự như màu sắc trên một tấm chăn ghép nhiều mảnh hoặc trên một bức tranh khảm. Ðây là cơ sở để chúng ta có thể nhận ra và hình thành ký ức về gần 10 000 mùi khác nhau.
Tế bào cảm thụ khứu giác hoạt hóa những vùng rất nhỏ ở hành khứu
Việc phát hiện thấy mỗi tế bào cảm thụ khứu giác chỉ biểu hiện một gen thụ thể mùi duy nhất là rất bất ngờ. Axel và Buck tiếp tục xác định tổ chức của trạm tiếp nhận đầu tiên ở não. Các tế bào cảm thụ khứu giác gửi các nhánh thần kinh tới hành khứu, nơi có khoảng 2000 vùng rất nhỏ có ranh giới rõ gọi là những cuộn mạch. Số cuộn mạch nhiều gấp khoảng 2 lần số týp tế bào cảm thụ khứu giác.
Ðộc lập với nhau, Axel và Buck đều chứng minh rằng các tế bào cảm thụ mang cùng một týp thụ thể gửi các nhánh thần kinh đến cùng một cuộn mạch, và nhóm nghiên cứu của Axel đã sử dụng công nghệ di truyền hiện đại để chứng minh trên chuột nhắt vai trò của thụ thể trong quá trình này. Việc thông tin từ những tế bào có cùng loại thụ thể được đưa tới cùng một cuộn mạch chứng tỏ các cuộn mạch cũng biểu hiện tính đặc trưng rõ rệt (xem hình).
ở cuộn mạch không chỉ có các nhánh thần kinh từ các tế bào cảm thụ khứu giác mà còn có những tiếp điểm của chúng với các tế bào thần kinh ở mức tiếp theo là các tế bào hai lá. Mỗi tế bào hai lá chỉ được hoạt hóa bởi một cuộn mạch, và nhờ đó tính đặc hiệu của luồng thông tin vẫn được duy trì. Thông qua các nhánh thầnh kinh dài, tế bào hai lá gửi thông tin đến nhiều vùng não. Buck đã chứng minh rằng những tín hiệu thần kinh này được truyền tới những vùng rất nhỏ có ranh giới rõ ở vỏ não. Tại đây thông tin từ nhiều týp thụ thể mùi được kết hợp thành một mô hình đặc trưng cho từng mùi. Mô hình này được diễn giải và dẫn đến trải nghiệm có ý thức về một mùi nhất định.
Pheromon và khẩu vị
Những nguyên tắc chung của hệ khứu giác mà Axel và Buck tìm ra có vẻ cũng áp dụng được cho các hệ thống giác quan khác. Pheromon là những phân tử có thể ảnh hưởng đến những tập tính xã hội khác nhau, nhất là ở động vật. Ðộc lập với nhau, Axel và Buck đã phát hiện ra rằng các pheromon được phát hiện bởi hai họ GPCR khác nhau nằm ở một vùng khác của biểu mô mũi. Các nụ vị giác ở lưỡi cũng có một họ GCPR khác có liên quan với vị giác.
Các thụ thể mùi và tổ chức của hệ thống khứu giác: 
Theo Nobelprize.org