gusto ed olfatto permettono di rilevare la presenza di sostanze chimiche nel cibo, nelle
bevande e nell’atmosfera
durante l’evoluzione questi sensi non hanno avuto per la sopravvivenza la stessa
importanza di altri, tuttavia contribuiscono in maniera considerevole alla qualità della vita
dell’Uomo e sono importanti per il loro ruolo di stimolo alla digestione
in altre specie i sensi chimici hanno un ruolo più importante per la sopravvivenza ed
evocano comportamenti sociali, come l’accoppiamento, la definizione dei territori ed il
comportamento alimentare
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gusto
i sapori attivano speciali cellule recettoriali contenute principalmente nelle papille gustative
le cellule gustative si raccolgono a formare bottoni o calici gustativi
cellule gustative isolate sono state identificate lungo tutta la mucosa della cavità orale, nella
faringe e nell’esofago
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nell’uomo ci sono circa 3000 bottoni gustativi
le papille foliate e circumvallate ne contengono
fino a 300, le fungiformi molto meno
nei bottoni si riconoscono almeno 4 tipi di
cellule:
tipo I (cellule scure)
tipo II (cellule chiare – recettori gustativi)
tipo III (recettori gustativi)
cellule staminali (basali)
la vita media delle cellule gustative è circa 10-14
giorni
al polo basale le cellule gustative fanno sinapsi
chimica con terminazioni nervose afferenti
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nell’uomo ci sono 5 modalità gustative primarie: salato; acido; dolce; amaro; umami
non esiste una mappa topografica della percezione dei gusti sulla lingua
trasduzione del gusto salato
le molecole salate sono piccoli ioni tipo Na+, K+ e Ca2+
la trasduzione è causata dall’ingresso degli ioni nella cellula
gustativa e successiva genesi del potenziale di recettore
(depolarizzazione)
sono stati identificati apicalmente canali di tipo ENaC (epithelial
sodium channels), anche nella regione basolaterale
la vasopressina aumenta le correnti di sodio, l’aldosterone
incrementa il numero dei canali ENaC
sono stati identificati canali K+ (sensazione amaro-salata) nella
regione basolaterale, ma probabilmente esistono anche a livello
apicale ; gli ENaC sono comunque coinvolti nella risposta al K+
i canali Ca2+ non sono stati ancora identificati
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trasduzione del gusto acido
informazioni sulla qualità del cibo; importante valore per la
sopravvivenzale
legato al pH sulla superficie linguale
per la genesi del potenziale di recettore è stata dimostrata
l’implicazione, forse esclusiva, del canale ionico sensibile all’acido
PKD2L1, permeabile al Na+ ed al Ca2+
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trasduzione del gusto dolce, amaro e umami
attraverso la stimolazione di recettori T1R (dolce ed umami) e T2R
(amaro) posti sulla superficie microvillare
ciascuna cellula gustativa risponde al dolce (presenza del
complesso T1R2/T1R3), all’umami (presenza del complesso
T1R1/T1R3) o all’amaro (presenza di T2R) in modo selettivo
tutte le cellule utilizzano il canale cationico TRPM-5 per la genesi
del potenziale di recettore
l’apertura di TRPM-5 dipende dall’attivazione di proteine G
specifiche e dalla via dell’inositolo trifosfato
la percezione dell’amaro ha una grande valenza per la
sopravvivenza (veleni etc.), così come la percezione degli elementi
zuccherini o debolmente salati (ad es. carne - aminoacidi) spesso
ricchi di carbonio e quindi importanti nutrienti
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i recettori T1R sono recettori accoppiati a proteine G
esperimenti in vivo su topi geneticamente modificati
e in vitro su sistemi ricombinanti hanno chiarito il
ruolo funzionale sulla percezione gustativa dolce del
complesso T1R2/T1R3, ed umami del complesso
T1R1/T1R3, espressi selettivamente dalle cellule
gustative
per la percezione è importante la cellula che li
esprime
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i primi studi sulla percezione dell’amaro hanno individuato nella
gustducina una proteina G associata alla percezione del gusto
amaro
il locus genico Prop, localizzato nel cromosoma 5 umano, è stato
associato alla percezione della sostanza amara 6-propil-2-tiouracile
(PROP)
in seguito si è stimato che all’interno del locus ci siano regioni
codificanti per almeno una trentina di recettori T2R accoppiati a
proteine G
recettori omologhi sono stati individuati in alcuni loci cromosomici
di topo associati al gusto amaro, come Cyr (cicloesimide), Soa
(saccarosio ottacetato), Rua (raffinoso undecacetato) e Qui
(chinina)
ciascuna cellula gustativa contenente gustducina esprime tutto il
repertorio di T2R, infatti i mammiferi percepiscono l’amaro ma non
lo discriminano
esperimenti in vivo su topi geneticamente modificati e in vitro su
sistemi ricombinanti hanno chiarito che T2R è la famiglia di
recettori responsabili della percezione dell’amaro
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nonostante siano stati individuate diverse vie di signalling (ad es. IP3, cAMP etc.) gli effettori
finali delle cellule che rispondono al gusto amaro, dolce ed umami sono i medesimi, cioè
l’enzima fosfolipasi C-b2 (PLCb2) ed il canale di membrana TRPM-5
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vie nervose gustative
attraverso il rilascio del neurotrasmettitore
ATP, l’informazione è trasmessa al SNC per
mezzo di nervi diversi
-fibre della corda del timpano
(papille fungiformi)
-fibre del glossofaringeo
(papille foliate e circumvallate)
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-fibre della branca faringea superiore (cellule gustative dell’epiglottide e dell’esofago)
la maggior parte delle fibre, dal tratto solitario arriva in corteccia (via talamo)
corteccia gustativa primaria: insula e corteccia opercolo-frontale
corteccia gustativa secondaria: corteccia orbito-frontale caudo-laterale
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The Anatomy of TasteTaste buds are broadly distributed on the tongue and soft palate. On the tongue,
taste buds are localized to three classes of papillae: In mice, the single circumvallate papilla is found at the
very back of the tongue; foliate papillae are at the posterior lateral edge, and fungiform papillae are
distributed over the anterior two thirds of the tongue; these three classes of paplilae can be highlighted in
mice engineered to express green fluorescent protein in taste bud areas (lower right panel). The taste buds
on the tongue and palate are innervated by three afferent nerves: the chorda tympani, greater superficial
petrosal, and glossopharyngeal. These nerves carry taste information from the taste receptor cells to the
nucleus of the solitary tract (NST) in the brain stem. From the NST, taste responses are transmitted (and
processed) through the parabrachial nucleus (PbN) and the thalamus (VPM) to the primary gustatory cortex
in the insula. Behavioral responses to food (and perceptions of flavor) are ultimately choreographed by the
integration of gustatory information with other sensory modalities (such as olfaction, texture, etc.)
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il resto delle fibre proietta direttamente all’ipotalamo, all’amigdala ed allo striato, dove sono
proiettate anche fibre sensoriali olfattive
è stato dimostrato che nello striato le proiezioni che rispondono al dolce sono segregate da
quelle dell’umami: esistenza di una mappa gustativa corticale?
“…the results showed different patterns of
hemodynamic activity for the investigated
tastes with some considerable overlap.
However, the taste specific patterns were
stable over time in each subject…”
esistono anche fibre del trigemino (V nervo cranico) che innervano la maggior parte dei
bottoni gustativi e l’epitelio non specializzato del faringe, probabilmente contribuiscono alla
valutazione della temperatura e consistenza del cibo
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rappresentazione corticale degli alimenti
nella corteccia orbito-frontale caudo laterale (corteccia gustativa secondaria) convergono
stimoli gustativi, olfattivi, visivi, consistenza e temperatura cibo; ha un ruolo importante nel
controllo dell’appetito
sono stati individuati neuroni unimodali e bimodali (rispondono a combinazioni di due
stimoli)
alcuni neuroni unimodali rispondono allo stimolo gustativo di un determinato alimento e
cessano di rispondere in condizioni di sazietà, tuttavia continuano a scaricare in presenza di
un altro alimento in bocca
analogamente alcuni neuroni rispondono meno all’odore di un alimento in condizioni di
sazietà ottenuta con altri alimenti dello stesso odore
le risposte dei neuroni a determinati alimenti possono essere modulate dall’assunzione degli
alimenti stessi
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Chemoreceptors on the tongue detect a sweet taste. The
signal is then transmitted through brainstem and thalamic
taste centres to the primary gustatory cortex, which lies
adjacent to and is densely interconnected with the anterior
insula. The anterior insula is an integral part of a 'ventral
(limbic) neurocircuit' through its connections with the
amygdala, the anterior cingulate cortex (ACC) and the
orbitofrontal cortex (OFC). Afferents from the cortical
structures involved in the ventral neurocircuit (anterior insula
and interconnected limbic cortices) are directed to the ventral
striatum, whereas cortical structures involved in cognitive
strategies (forming a dorsal neurocircuit) send inputs to the
dorsolateral striatum. Therefore, the sensory aspects of taste
are primarily an insula phenomenon, whereas higher cortical
areas modulate pleasure, motivation and cognitive aspects of
taste. These aspects are then integrated, resulting in an 'eat' or
'do not eat' decision. The figure links each cortical structure
with arrows, indicating that all cortical structures project to
striatum in a topographic manner. DLPFC, dorsolateral
prefrontal cortex; NTS, nucleus tractus solitarii.
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sostanze dolcificanti
i dolcificanti artificiali sono usati come alimenti a basso contenuto calorico per pazienti
affetti da malattie metaboliche e non
l’elevato potere dolcificante li rende utilizzabili in quantità modeste
oltre a limitazioni qualitative, queste sostanze possono avere effetti collaterali
tecniche di High Throughput Screening permettono di sondare librerie di migliaia di
composti diversi per la loro capacità di attivare i complessi T1R2/T1R3, con lo scopo di
ottenere nuovi e più moderni agonisti dolcificanti (a basso contenuto calorico, privi di effetti
collaterali, a basso costo)
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olfatto
è il senso primario filogeneticamente più antico
l’acuità olfattiva è associata all’identificazione del cibo, dei predatori, dei conspecifici
gli odoranti (centinaia nell’uomo) sono molecole con caratteristiche chimico-fisiche e timbro
olfattivo peculiari; hanno basso peso e alta volatilità
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nella parte posteriore delle cavità nasali sono
presenti 3 estroflessioni ossee (turbinati)
ricoperte da mucosa (epitelio olfattivo)
le cellule sensoriali sono veri e propri neuroni
bipolari che proiettano alle regioni centrali
l’epitelio ha alta capacità di rigenerazione
l’epitelio olfattivo è composto da 4 classi di cellule
principali
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neuroni olfattivi
il corpo cellulare è in posizione intermedia
il dendrite termina con una protuberanza munita di
ciglia (bottone olfattivo)
ciglia e bottoni sono immerse nel muco
i segnali elettrici vengono generati a livello dei
bottoni
l’assone penetra l’osso etmoide e raggiunge il bulbo
olfattivo
per individuo, ci sono circa 10-30 milioni di neuroni
olfattivi
cellule di sostegno
hanno azione detossificante della mucosa,
soprattutto in seguito a traumi causati da
agenti chimici
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cellule staminali
alla base dell’epitelio
ricevono stimoli dalle regioni apicali
in condizioni normali il neurone ha un ciclo vitale di 60-90 giorni, poi muore per apoptosi
le cellule staminali si dividono in cellule progenitrici (precursori neuronali) di due tipi:
-esprimenenti mash-1
-dalle mash-1 originano cellule esprimenti neurogenina (ngn-1)
la fase mitotica avviene a livello basale dell’epitelio mentre più superficiale è la fase
differenziativa durante la quale i neuroni proiettano dendriti ed assoni
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dal punto di vista istologico esistono staminali globose ed orizzontali
le globose sono probabilmente il vero pool di staminali mitoticamente attive mentre le
orizzontali hanno funzione secretoria e di controllo della neurogenesi
non è chiaro se le cellule non neuronali presenti nell’epitelio olfattivo originino da un unico
pool di staminali multipotenti
a livello di meccanismi di controllo del turn-over, è plausibile che la morte di un neurone
olfattivo riduca la concentrazione locale di GDF-11 (un fattore di trascrizione appartenente
alla famiglia dei transforming growth factors espresso dai neuroni maturi e dalle staminali
olfattive), rimuovendo così un segnale inibitorio che normalmente agisce stabilizzando la
proliferazione dei precursori neuronali
il neuropeptide NPY sembra svolgere un’azione positiva: è espresso nell’adulto solo dalle
cellule microvillari, si suppone perciò che esse secernano NPY in prossimità delle staminali
come conseguenza di stimoli chimici cui vengono in contatto
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cellule microvillari
presenti in rapporto 1:20 rispetto ai neuroni
collocate tra i neuroni e le cellule di sostegno
hanno un aspetto bipolare, con la porzione apicale ricoperta da microvilli in contatto con il
muco
la porzione basale raggiunge lo strato delle cellule staminali
lo strato di muco è prodotto dalle cellule
della capsula di Bowmann
il muco fornisce l’ambiente ionico adatto per
il funzionamento dei neuroni olfattivi
gli odoranti entrano in contatto con la
mucosa e l’epitelio per effetto dei moti
turbolenti causati dai turbinati; il muco li
trattiene e li dissolve
le ghiandole producono una grande quantità
di Odorant Binding Proteins (OBP)
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vie olfattive centrali
il bulbo olfattivo fa parte del SNC ed è la porzione
più periferica di elaborazione del segnale odoroso
in esso si trovano le sinapsi dei neuroni olfattivi con le cellule mitrali (neuroni di II ordine
della via sensitiva), formando glomeruli
circa 300-700 glomeruli nell’uomo; alta convergenza di fibre-elevata sommazione spazialesensibilità
i glomeruli sono connessi anche con interneuroni inibitori (neuroni periglomerulari)
le cellule mitrali (corpi cellulari) formano lo strato plessiforme esterno
sono presenti anche neuroni granulari inibitori che fanno sinapsi dendro-dendritiche (come i
neuroni periglomerulari) con le cellule mitrali
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le cellule mitrali possono depolarizzare gli interneuroni inibitori i quali rilasciano GABA
(neurotrasmettitore inibitorio); il GABA a sua volta agisce sia sulle cellule mitrali che sui
glomeruli
il tratto olfattivo è costituito dagli assoni delle cellule mitrali
le vie olfattive rappresentano l’unico sistema sensoriale in cui le vie centrali, nel loro decorso
fino alla corteccia, non comprendono obbligatoriamente una stazione di ritrasmissione
talamica
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trasduzione del segnale odoroso e mappa olfattiva
gli odoranti inalati si concentrano nel muco
la partizione aria-muco degli odoranti dipende dalle loro proprietà chimiche
quindi la soglia olfattiva dipende non solo dalla sensibilità del recettore ma anche dalla
solubilità dell’odorante
i recettori di membrana dei neuroni olfattivi esposti sulle ciglia e sul bottone iniziano il
segnale legandosi all’odorante; sono G-protein coupled receptors (GPCRs)
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i recettori di membrana dei neuroni olfattivi esposti sulle ciglie e sul bottone iniziano il
segnale legandosi all’odorante
il numero di recettori specifici varia da specie a specie ma in ciascun neurone è sempre
espressa solo una tipologia di recettore
il Cyclic Nucleotide-Gated Channel Alpha-2 è permeabile ai cationi; la [Ca2+]i apre un canale
Cl- (probabilmente il canale denominato bestrophin II)
i neuroni olfattivi sono peculiari poiché mantengono un’elevata [Cl-]i, grazie ad un cotrasportatore Cl-/K+ (KCC2); l’uscita di Cl- innesca la genesi di potenziali d’azione
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il Ca2+ è responsabile anche del meccanismo di adattamento attraverso 2 vie metaboliche:
un’elevata [Ca2+]i riduce l’affinità di CNGA2 per il cAMP attraverso una diretta interazione del
complesso calcio-calmodulina; adattamento rapido a stimoli prolungati
interviene una protein chinasi calmodulina-dipendente che inibisce l’attività di ACIII;
interviene anche una fosfodiesterasi attivata dal complesso calcio-calmodulina che riduce i
livelli di cAMP; adattamento a stimoli brevi ma ripetuti
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nel 1991 Buck e Axel isolarono i primi recettori olfattivi; sono GPCR codificati dalla più estesa
famiglia di geni dei mammiferi (1500 nei roditori, 350 nell’uomo)
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la distribuzione dei recettori determina la suddivisione topografica dell’epitelio olfattivo in 4
regioni distinte: ogni tipologia recettoriale è presente solo in una regione
la suddivisione viene mantenuta a livello del bulbo
neuroni con gli stessi recettori proiettano allo stesso glomerulo
neuroni con recettori diversi non proiettano mai allo stesso glomerulo
i recettori hanno un ruolo fondamentale anche nel dirigere gli assoni verso il glomerulo
giusto; la mappa olfattiva rimane invariate in seguito al turn-over neuronale
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a complicare il quadro intervengono due
caratteristiche:
ciascun recettore olfattivo riconosce più di una
molecola odorosa
ogni odorante può legarsi ed attivare più recettori
il sistema olfattivo utilizza un codice combinatoriale
a determinare la qualità di un odorante è la
combinazione dei recettori attivati piuttosto che il
singolo recettore
ogni singolo odorante attiva una combinazione
definita di recettori che segregano in una definita
combinazione di glomeruli bulbari: una prima
informazione può già essere decifrata nel bulbo
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una percezione e discriminazione completa avviene però a livello più centrale
Piriform cortical ensemble processing of odorants. (A) Odorant features, encoded as spatiotemporal patterns in olfactory bulb glomeruli and
their outputs, converge in the piriform cortex through broadly dispersed, non-topographic projections. Information is also distributed
through broad intracortical association fibers projections. Neurons activated by a given odor (black cells) are broadly distributed. Spiking in
individual neurons can driven directly by afferent input (cell a), directly by association fiber input (cell b), or the combination (cell c). (B)
Given the distributed afferent and association fiber projections, different odorants (X and Y) can activate widely distributed, overlapping
ensembles of neurons.
i segnali probabilmente vengono processati in parallelo da diverse aree cerebrali
cioò può essere importante per l’attivazione di meccanismi con funzioni diverse dalla sola
percezione, ad es. le reazioni di fuga e ricerca del cibo
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