08_ I recettori sensoriali

I RECETTORI SENSORIALI
INTRODUZIONE
Le informazioni sull'ambiente esterno (anche il sangue, l'aria nei polmoni, le cavità gastrointestinali, il liquido prodotto dal rene possono essere considerati "ambiente esterno") sono
valutate dai recettori sensoriali. Ciascun recettore è elettivamente sensibile ad uno specifico
tipo di energia. Abbiamo recettori sensibili agli stimoli meccanici (meccano-cettori), chimici
(chemo-cettori), luminosi (fotorecettori), ma i recettori possono essere stimolati anche da
energie di tipo differente, ma sempre più intense dello stimolo elettivo. Dal punto di vista
strutturale, i recettori sensoriali possono essere costituiti da 1) una terminazione nervosa libera
proveniente da una cellula a T; 2) una terminazione nervosa libera proveniente da una cellula a
T associata a strutture connettivali accessorie, come nel corpuscolo di Meissner, che concorre a
fornire informazioni tattili; 3) una terminazione nervosa libera proveniente da cellule nervose
disposte perifericamente, nel caso dei recettori per il gusto e l'odorato, situati sulla lingua e
nella mucosa nasale; infine 4) cellule di origine non nervosa, che fungono da elemento
presinaptico di una sinapsi con una fibra efferente (Fig. 1.4).
Fig. 1.4. Procedendo da sinistra, troviami due tipi di fotorecettori, i bastoncelli ed i
coni, ed una cellula ciliata, meccano-recettore del senso dell'udito e dell'equilibrio, i
recettori per l'odorato ed gusto, i cui corpi cellulari sono disposti in periferia, una
terminazione nervosa libera, attivabile, per esempio, dalla temperatura, ed una
terminazione nervosa accompagnata da strutture accessorie, il corpuscolo di Meissner,
che porta informazioni tattili
LA TRASDUZIONE DEL SEGNALE
Il corpuscolo del Pacini può essere utilizzato per descrivere il funzionamento dei recettori
sensoriali. Questo recettore è costituito dalla terminazione di una fibra nervosa mielinica che ha
perso la mielina ed è ricoperta da una "cipolla" formata da più strati di gusci connettivali. E' un
recettore sensibile alla pressione (stimolo meccanico), che deforma la membrana cellulare,
stirandola.
A
B
Fig. 1.5. A, in alto, struttura del corpuscolo del Pacini; in basso, lo stimolo meccanico
deforma la membrana, depolarizzando il recettore. Si generano delle correnti, dette
elettrotoniche, che depolarizzanoil primo nodo di Ranvier (le depolarizzazioni non sono
indicate). B, maggiore è l'intensità dello stimolo, maggiore è la depolarizzazionedel recettore,
maggiore è la frequenza di scarica dei PdA che insorgono nel primo nodo di Ranvier e che si
propagano verso la periferia. In quest'esempio la risposta è di tipo tonico (il corpuscolo del
Pacini è di tipo fasico) (da Casella-Taglietti).
La terminazione nervosa non ha canali che possano generare un PdA propagato, ma possiede
stretch channels, canali cationici permeabili al Na+ ed al K+, aperti dallo stiramento della
membrana. Si genera dunque una corrente netta entrante (l'ingresso di Na+ è maggiore
dell'uscita di K+), che depolarizza la parte terminale dell'assone: questa depolarizzazione è
detta potenziale del recettore (Fig. 1.5, A e B). Maggiore è l’intensità dello stimolo, maggiore è
lo stiramento della membrana, maggiore è il numero di canali ionici che si aprono, maggiore la
depolarizzazione del recettore (prima codificazione: codificazione meccano-V) (Fig. 1.5, B).
Vi è poi una seconda codificazione che trasforma il potenziale del recettore in sequenze di
potenziali potenziali d'azione (Fig. 1.5, B). Maggiore è la depolarizzazione del recettore,
maggiore sarà la depolarizzazione del primo nodo di Ranvier. La membrana del nodo di
Ranvier ha canali capaci di generare PdA ed effettua una codificazione "voltage d.c./frequenza
dei PdA": maggiore la depolarizzazione, maggiore è la frequenza dei PdA che insorgono nella
fibra nervosa e che arriveranno, per esempio, al midollo spinale. Nei recettori detti tonici il
potenziale del recettore e la frequenza di scarica dei PdA restano costanti per tutta
l'applicazione dello stimolo, come in Fig. 1.5, B. Nei recettori detti fasici la frequenza di scarica
dei PdA scende rapidamente a zero (nel giro di secondi o frazione di secondo) anche se lo
stimolo permane (il corpuscolo del Pacini è un recettore fasico). Nei recettori tonico-fasici la
risposta iniziale è più intensa e tende a decadere più o meno lentamente nel tempo.
In generale i recettori sensoriali, se colpiti da uno stimolo, si depolarizzano e generano una
scarica di PdA. Descriveremo in seguito dettagliatamente due esempi, i fotorecettori e le cellule
ciliate, nei quali la codificazione presenta aspetti peculiari.
L’ANALISI DELLO STIMOLO E LA CONSEGUENTE RISPOSTA
I messaggi inviati dai recettori possono generare delle risposte involontarie (riflesse) o
raggiungere anche la corteccia e diventare sensazioni coscienti. Per esempio, toccando qualche
cosa che scotta, la mano viene allontanata: è questa una risposta riflessa, involontaria,
indipendente dalla percezione cosciente del dolore (verrà descritta in seguito). Lo stimolo, in
questo esempio di tipo dolorofico, genera poi anche una percezione cosciente, accompagnata da
una sua connotazione emotiva. Attività riflesse e volontarie verranno descritte successivamente;
qui possiamo ricordare che il camminare è un’attività riflessa, che però può essere controllata
volontariamente; la respirazione è un atto riflesso, innescato da recettori sensibili all'O2 ed alla
CO2, in parte controllabile volontariamente; la pressione sanguigna è controllata unicamente
per via riflessa.
I cinque sensi (vista, udito, gusto, olfatto, tatto) classificano cinque diverse modalità con cui
percepiamo coscientemente l'ambiente esterno. L'udito ed il tatto codificano segnali meccanici,
l'olfatto ed il gusto segnali chimici, la vista segnali luminosi. Vi è poi la sensibilità cinestesica,
che informa sulla posizione del corpo nello spazio e sui movimenti che sta effettuando.
Come già menzionato, i segnali diventano percezioni quando raggiungono la corteccia.
Ciscuna modalità sensoriale arriva a specifiche zone o aree (area o corteccia primaria) (Fig.
1.6). Nella zona posteriore della corteccia troviamo l'area primaria visiva. Sul lobo temporale
troviamo le aree primarie gustativa ed uditiva. Posteriormente alla scissura di Rolando troviamo
infine l'area primaria somato-estesica, che riceve le afferenze relative al tatto. Le sensazioni che
arrivano alla corteccia primaria vengono poi analizzate dalle are associative connesse all'area
primaria. Specifiche aree sono deputate al riconoscimento della parola scritta od udita.
Area premotoria
Corteccia
motoria
Scissura di
Rolando
Corteccia somato-estesica
Area gustativa
Area associativa
somato-estesica
Area associativa visiva
Lobo frontale
Corteccia visiva
Area di Broca.
Area motoria
per la parola
Area uditiva
associativa
Area uditiva
primaria
Area di Wernicke.
Area uditiva per la
parola
Fig. 1.6. Aree sensitive primarie ed aree associative della corteccia (faccia laterale sinistra).
Sono anche indicate le aree motoria e premotoria, che controllano, rispettivamente, i
movimenti volontari ed i movimenti involontari associati ai movimenti volontari.
Le parti del corpo proiettano in modo ordinato sull'area somato-estesica, cosicchè, partendo
dalla zona latero-inferiore e procedendo verso l'alto e medialmente, troviamo le aree che
raccolgono informazioni dalla labbra e dalla lingua, dal viso, dalle mani, dalle braccia, dal
tronco, dalle gambe e dai piedi (Fig. 1.7, A). L'estensione delle aree non è proporzionale alle
dimensioni del corpo, ma alla finezza delle sensazioni tattili, cosicchè l'area destinata a labbra,
lingua, viso e mani è molto maggiore di quella destinata a braccia, tronco, gambe e piedi. La
rappresentazione alterata delle proporzioni del corpo umano ha generato l'immaginario
homunculus di Penfield (Fig.1.7, B).
Come già accennato, le informazioni arrivano dapprima alle aree primarie. Qui vengono
elaborate e poi mandate alle aree associative, dove vengono elaborate ulteriormente. Per
esempio, informazioni visive grezze vengono inviate alla corteccia visiva primaria per una
prima elaborazione. L'output della corteccia visiva primaria viene poi analizzato ed elaborato
dalle aree di associazione visiva, che trasformano una serie di informazioni visive in un
concetto (un uomo, una casa, il mare). Una particolare area interpreta tutte le sensazioni
collegate al linguaggio; lesioni in tale area impediscono di riconoscere che un certo suono è una
parola, o impediscono di riconoscerne il significato. Alcuni tipi di lesione rimuovono la
connotazione emotiva delle sensazioni: per esempio, è possibile perdere la partecipazione
emotiva alla musica.
A
B
Fig. 7. A, localizzazione sulla corteccia somato-estesica dei neuroni che ricevono afferenze
dalle varie parti del corpo (da Casella-Taglietti). B, omunculus di Penfield.
L'olfatto
La base del cranio è separata dalla cavità nasale dall'osso etmoide, situato tra le due orbite e
costituente la parte superiore del naso. Dell'etmoide fa parte la lamina cribosa, che presenta
numerosi, piccoli forellini. Appoggiato superiormente alla lamina cribosa troviamo il bulbo
olfattivo, un nucleo del SNC. Subito sotto la lamina cribosa è presente la mucosa olfattiva.
Questa è costituita dai recettori olfattivi circondati dalle cellule dell'epitelio colonnare. I
recettori olfattivi sono neuroni bipolari; inferiormente presentano un corto filamento che
termina con delle ciglia immerse in una matrice mucosa; dal polo opposto si diparte una fibra
nervosa che costituisce il nervo olfattivo, attraversa la lamina cribrosa e si ramifica
terminalmente, prendendo contatto sinaptico con le ramificazioni dendritiche delle cellule
mitrali del bulbo olfattivo. Il volume di contatto tra le terminazioni dei recettori olfattivi e i
dendriti delle cellule mitrali è il cosiddetto glomerulo (Fig. 1). Nel ratto ci sono circa 10
milioni di recettori olfattivi, ma solo 10000 glomeruli: su di una cellula mitrale convergono gli
assoni di circa 1000 recettori olfattivi.
Etmoide
From the nose
From the mouth
Air and
Odorant molecules
Fig. 1. Vedi testo.
La trasduzione del segnale
I recettori olfattivi dei mammiferi appartengono alla classe dei recettori accoppiati a proteine
G (GPCR); nell'uomo la classe dei geni che può codificare tale proteina è di circa 700 geni,
ma solo la metà è funzionale; nel ratto abbiamo 1200 geni, ma solo i 2/3 sono funzionali (Fig.
2).
Negli insetti i recettori olfattivi sono recettori-canali, non accoppiati a messaggeri
intracellulari.
OR 1
OR 2
OR 3
OR n OR 350 in men, 800 in rats
Fig. 2. Vedi testo
La molecola odorosa si scioglie nel muco che ricopre i recettori olfatti e si lega ad una
frazione dei recettori olfattivi, attivando una G protein trimerica (Fig. 3A). La subunità Gα,
detta olfattiva (Gαolff) attiva l'adenilato ciclasi di tipo 3. L'AMPc attiva direttamente un canale
ionico permeabile al Na+ ed al Ca2+, depolaizzando la terminazione nervosa. Il Ca2+ apre poi
un canale al Cl-; quaeso ione ha una concentrazione molto bassa nel muco, per cui il suo
potenziale di equilibrio è tale che il Cl- esce, depolarizzando ulteriormente la cellula. Nel cono
assonico del recettore olfattivo insorgono uno o più potenziali d'azione, che si propagano sino
al terminale sinaptico.
??
Fig. 3. Vedi testo
La subunità Gβγ inibiresse la trascrizione dei geni che codificano per recettori defferenti da
quello attivato, mentre la PKA favorirebbe la ulteriore sintesi del recettore attivato, ma il
meccanismo di attivazione-repressione non è pienamente delineato (Fig. 3B).
L'identificazione della molecola odorosa
Nella mucosa olfattiva sono presenti circa un 1000 differenti recettori, per un totale di circa
1000000 di recettori, che tendono a raggrupparsi in una specifica zona della mucosa. Ciascun
tipo di recettore proietta sullo stesso glomerulo, con i recettori disposti sulla zona dorsale o
ventrale della mucosa olfattiva connessi con glomeruli disposti nell'analoga zona del bulbo
olfattivo. Ogni glomerulo riceve perciò informazioni dallo stesso tipo di recettore (Fig. 4).
Come è possibile che 1000 differenti recettori consentano di discriminare tra un numero molto
maggior di molecole?.
Di fatto il singolo recettore non risponde ad una singola molecola, ma ad una classe di
molecole (per esempio, alle aldeidi) ma, in base ad alcune caratteristiche chimiche accessorie
(per esempio, la lunghezza della catena alifatica), viene attivata una sottoclasse di recettori.
Abbiamo quindi un certo numero di molecole che attivano specificamente differenti
sottoclassi dello stesso recettore. Ciascuna sottoclasse si connetterebbe con una specifica
sottoclasse delle cellule mitrali presenti nel glomerulo, consentendo il "riconoscimento" della
molecola dal parte del SNC.
Bulbo olfattivo
Glomerulo
Ventrale
Dorsale
Epitelio olfattivo
Nervo olfattivo
Ventrale
Fig. 4. Vedi testo
Dorsale
Proiezioni alla corteccia olfattoria
Dal bulbo olfattorio i neuroni proiettano a nuclei della paleo-corteccia ed all'amigdala; questa
probabilmente assegna agli odori la loro connotazione emotiva (Fig. 5, A e B). La corteccia
piriforme proietta alla corteccia olfattiva ed al talamo, che proietta nuovamente alla corteccia
olfattiva. Questa è situata postero-inferiormente alla parte anteriore della scissura di Silvio
(Fig. 5, C).
A
B
Scissura di Rolando
C
Scissura di Silvio
Fig. 5. Vedi testo
Il naso elettronico
Odori sgradevoli vengono generati dalle discariche, ancorchè sottoterra, acque di scolo ed il
loro trattamento, allevamenti di animali. Sono maleodoranti i composti solforosi (quali l'acido
sulfidrico H2S ed i mercaptani) e i composti azotati, quali l'ammoniaca, l'indolo e lo scatolo.
Le soglie sono molto basse ed anche specifici trattamenti per ridurre all'origine la loro
concentrazione possono essere insufficienti.
La presenza di sostanze maleodoranti può essere evidenziata mediante gas-cromatografia e
l'olfattometria, questa effettuata da soggetti umani. Le due tecniche sono costose, time
consuming e prevedono analisi off-line.
Il "naso elettronico" utilizza una serie di sensori in grado di valutare la presenza e la
concentrazione di un gran numero di sostanze maleoodoranti. Ciascun sensore è costituito da
un semiconduttore contenente un catalizzatore specifico per la classe di molecole di cui si
vuole identificare la presenza. In presenza di tale classe il catalizzatore favorisce l'ossidazione
(prelievo di elettroni dalla giunzione del semiconduttore) o la riduzione (cessione di elettroni
alla giunzione del semiconduttore). Questo modifica la resistenza di giunzione, modificando
l'intensità della corrente attraverso il semiconduttore. La concentrazione della sostanza diventa
quindi intensità di corrente, facilmente misurabile
La resistenza
aumenta
La resistenza
diminuisce
La presenza di un discreto numero di sensori (15, per esempio) consente al naso elettronico di
valutare la presenza di diverse categorie di molecole odorose (alcool, aldeidi, ketoni, acidi
carbossilici, amine.
I dati ottenuti dal naso elettronico vengono poi confrontati con i risulttati olfattometrici.