Olfatto o odorato è uno dei cinque sensi
specifici e rende possibile, tramite i
chemiorecettori, le percezioni delle
sostanze chimiche volatili e dei gas
presenti nell'aria.
L'olfatto è connesso in maniera funzionale
con il gusto, come si può dimostrare
semplicemente quando un raffreddore
congestiona le vie aeree, compromettendo
la funzione olfattiva, ed i cibi hanno
pressoché tutti lo stesso sapore.
L’olfatto viene definito assieme al gusto un
senso “chimico” in quanto è finalizzato alla
percezione di sostanze chimiche.
La
percezione
olfattiva
ha funzioni
estremamente importanti per la sopravvivenza
di un organismo: infatti è legato alla possibilità
di trovare il cibo, a distinguere tra cibo buono
e cibo cattivo. Inoltre gli odori sono anche
responsabili di tutta una serie di comportamenti
sociali legati principalmente all’aggressività con
il riconoscimento di amici e nemici ed ai
processi riproduttivi e neonatali.
Fisiologia dell’olfatto
Gli stimoli che evocano le sensazioni
olfattive sono composti chimici chiamati
odoranti
Non tutte le sostanze chimiche sono
però degli odoranti!!!
Per essere percepite attraverso
l’olfatto le molecole devono essere
volatili, piccolissime e idrofobiche.
Cosa e’ un odore?
Gli odori sono prodotti da molecole
volatili che vengono in contatto
attraverso l’aria con particolari
cellule presenti nella cavità nasale.
Esempi:
benzaldeide
geraniolo
H2S
Mentre nell'uomo il ruolo dell'olfatto come
strumento di conoscenza dell'ambiente
circostante ha un carattere secondario, negli
animali è uno strumento indispensabile per le
attività fondamentali quali la caccia, la
localizzazione dei partner, dei compagni e dei
predatori.
In alcune farfalle, l'odore della femmina
può attirare il maschio da molti chilometri
di distanza.
Negli animali, i recettori olfattivi hanno
collocazioni anatomiche diverse a seconda dei
casi, negli insetti ad esempio sono sulle
antenne, nei pesci sulla superficie del corpo.
Nei bassi vertebrati, nei quali l'olfatto ha
una importanza maggiore che nei mammiferi,
la componente maggiormente evoluta del
cervello è un centro prevalentemente
olfattivo, detto rinencefalo.
L'organo dell'olfatto è il naso. Il naso,
mediante il setto nasale, è diviso in due
cavità piuttosto ampie, che da una parte
comunicano con l'esterno per mezzo delle
narici, dall'altra verso l'interno, con la parte
superiore dalla mucosa olfattiva.
La mucosa olfattiva è il punto di confluenza
delle varie terminazioni nervose che ci
permettono di percepire le sensazioni
olfattive.
L’apparato olfattivo umano è, come quello
tattile e gustativo ma a differenza di
quello visivo e acustico, incorporato in un
organo che principalmente serve ad un
altro scopo.
Il fine principale del naso è infatti quello di
filtrare, riscaldare, umidificare l’aria che
respiriamo
Comunque nel naso sono presenti
delle piccole creste chiamate
turbinati che creano turbolenza
nell’aria che respiriamo, aumentano
la superficie e massimizzano il
tempo di contatto con l’aria
Anatomia del sistema
olfattivo
Gli odori non si percepiscono
con tutto il naso ma con un
sottile strato di cellule che
costituiscono l'epitelio
olfattivo (5-10 cm2, la
retina del naso), situato
nella porzione più alta della
cavità nasale sulla
cartilagine dei turbinati.
L'acuità olfattiva è proporzionale all'estensione
di questo epitelio e alla densità dei recettori.
raramente supera una decina di cm2
con una densità media di 10.000
recettori/cm2
venti volte più esteso, presenta una
densità di recettori almeno 100 volte
superiore.
Nei roditori è presente una
specializzazione della
mucosa denominata
Organo Vomeronasale
Nell’uomo non si sa se
esista realmente (secondo
alcuni studi sarebbe
situata in vicinanza del
setto)
L’organo vomeronasale
dei roditori è il recettore
specializzato per i feromoni.
EST e AND
Sono state viste risposte neuroendocrine in seguito ad
attività ferormonale.
Sostanze lipofile di origine ascellare prodotte da donne
durante certe fasi del ciclo ovarico provocano in
donne riceventi una marcata alterazione della durata
del ciclo.
Due steroidi il 4,16-androstadien-3-one (AND) (deriva
dal testosterone nelle secrezioni ascellari del
maschio)
l’estra-1,3,5(10),16-tetraen-3-ol (EST)
correlato con gli estrogeni e presente nell’urina della
femmina
Hanno effetti ferormonali, regolando :
Temperatura
Umore
Appetito sessuale
Le molecole odorose che entrano nel naso portate dall'aria
non raggiungono direttamente i neuroni olfattivi sensoriali ma
devono prima sciogliersi nel muco.
Acqua
Sali
Mucopolisaccaridi
Anticorpi (proteggono l'epitelio da
batteri e virus)
Il muco è prodotto da:
Cellule epiteliali di sostegno
Ghiandola di Bowman
Funzione:
Contiene proteine solubili che captano le molecole
odorose. Contribuisce alla concentrazione e
all’eliminazione degli odori.
Nell’epitelio olfattivo si distinguono tre tipi di
cellule
1. Cellule di sostegno
2. Cellule staminali
3. Neuroni olfattivi sensoriali (OSNs)
Piccoli neuroni con ciglia che si
sporgono dal muco che copre
l’epitelio olfattivo. Queste ciglia
contengono i Recettori Olfattivi
(OR)
I neuroni olfattivi sensoriali (neuroni bipolari) sono
le uniche cellule nervose che vengono
continuamente sostituite nel corso di tutta la vita,
con un ciclo di morte e rigenerazione di circa 6090 gg.
La generazione di potenziali del
recettore in risposta agli odori
si verifica in corrispondenza
delle ciglia dei neuroni
olfattivi.
Gli odoranti evocano grandi
correnti depolarizzanti quando
applicati alle ciglia (sx) ma solo
una piccola corrente quando
applicati al corpo cellulare
Le piccole cellule staminali rappresentano i
precursori da cui si sviluppano i nuovi neuroni
olfattivi. Questa caratteristica è peculiare
anche perché ogni nuova cellula olfattiva deve
produrre ex novo la terminazione nervosa che
raggiunge il bulbo olfattivo.
Le cellule di sostegno hanno la funzione di
produrre muco che ricopre l'epitelio olfattivo,
scorre ad una velocità di 10 mm/min. e viene
rimpiazzato completamente in circa 10 minuti.
Neuroni olfattivi sensoriali
(OSN)
Gli assoni dei OSN opposti alla zona dove si
trovano le ciglia, passano attraverso una fine
apertura la cui morfologia ricorda quella di un
setaccio chiamata placca cribriforme (osso
etmoide).
etmoide)
Un colpo molto forte all’altezza
della fronte può provocare la
rottura della placca
cribriforme e di conseguenza la
rottura dei fragili neuroni
olfattivi.
Questa condizione in cui
diviene impossibile la
percezione di odori è chiamata:
ANOSMIA
Gli assoni dei OSN
dopo aver attraversato
la placca cribriforme si
uniscono insieme a
formare il nervo
olfattivo (nervo cranico
I) e raggiungono il
bulbo olfattivo.
A differenza degli altri
sistemi sensoriali
l’olfatto è
IPSILATERALE
Nel bulbo olfattivo i
neuroni olfattivi
contraggono sinapsi
con le cellule mitrali a
livello dei
glomeruli olfattivi.
strutture sferiche
formate
dai processi assonici
dei neuroni olfattivi e
dai processi
dendritici delle cellule
mitrali.
Le cellule mitrali sono i neuroni principali dei glomeruli (circa
50.000 per ciascun bulbo olfattivo).
Ricevono in input il segnale proveniente dai recettori olfattivi e i
loro assoni si riuniscono a formare il tratto olfattivo laterale.
Forte
convergenza:
5000-20000
neuroni/glomerulo
Nessuna
divergenza: 1
neurone olfattivo
innerva 1 solo
glomerulo
Vie olfattive centrali
Le cellule mitrali
proiettano alla corteccia
olfattiva (direttamente)
e alla corteccia
orbitofrontale
(attraverso il talamo)
La via talamoorbitofrontale da’ la
percezione cosciente
degli odori
La via alla corteccia
olfattiva da’ la
componente affettiva
degli odori
Le strutture del sistema nervoso
centrale che analizzano le
informazioni olfattive ricevute dai
bulbi olfattivi sono:
La corteccia
olfattiva
primaria
Il complesso
amigdaloippocampale
(legato alle risposte
emotive)
La corteccia
entorinale
dell’ippocampo)
(parte
Pathway della
percezione
olfattiva
Trasduzione
del segnale
olfattivo
I OSN sono diverse da tutti gli altri recettori
sensoriali (non protette da nessuna struttura e
connesse direttamente al cervello)
P. es. i recettori visivi sono protetti dalla cornea, i
recettori acustici dal timpano, i recettori gustativi sono
racchiusi nella papilla
Per questa ragione molte medicine possono essere inalate
I OSN sono tra i più sottili e lenti neuroni di tutto il corpo.
Quindi ci vuole molto più tempo a percepire gli odori rispetto
agli altri tipi di percezioni (circa 500 ms contro i soli 45
perché la corteccia visiva registri una immagine)
PERCEZIONE e SENSAZIONE
A parte i circa 500 ms necessari
perché un odore venga registrato ce ne
vogliono poi altrettanti perché si possa
coscientemente percepirlo. Questo
fatto delinea la sottile linea rossa fra
percezione e sensazione:
Si parla di sensazione quando l’odore è
rivelato a livello neurale
Si parla di percezione quando si diviene
coscienti dell’aver percepito un odore
Apparato chemotrasduttore:
ciglia
Il legame di molecole
odorose alle ciglia
produce un potenziale di
recettore
depolarizzante
La depolarizzazione invade
il dendrite apicale e
viene codificata in una
scarica di potenziali
d’azione
Gli assoni dei neuroni
olfattivi (I nervo
cranico) contattano
neuroni nel bulbo
olfattivo
Fibre nonmieliniche: lente
Come arrivano le molecole ai
recettori olfattivi?
Le Odorant binding
proteins (OBPs) o
proteine leganti gli odori
sono piccole proteine
solubili abbondanti nel
muco nasale di molte
specie.
Le molecole olfattive sono
infatti generalmente di
natura idrofobica e la
mucosa nasale e' uno
strato acquoso che
ricopre l'epitelio olfattivo
I recettori olfattivi
Recettori accoppiati alle
proteine G (GPCR)
3 Famiglie di geni:
Recettori olfattivi
Recettori vomeronasali
1: accoppiati a Gi
(feromoni)
Recettori vomeronasali
2: accoppiati a G
(peptidi?)
I recettori olfattivi
7 domini transmembrana
Regione sulla superficie
cellulare variabile
(legame con il ligando)
Coda citoplasmatica che
interagisce con la
proteina G
1000 geni nei mammiferi
– 2% del genoma
(ciascuno codifica un
recettore per un certo
gruppo di odoranti)
Attivazione dei recettori olfattivi
CNGA2: cyclic nucleotide-gated channel alpha2
I canali del Cl olfattivi
Nei neuroni olfattivi [Cl]i è insolitamente alta=60-70
mM
Nella maggior parte dei neuroni [Cl]i=10 mM
Il Cl viene concentrato grazie alla presensenza di un
cotrasportatore KCC2 per il cloro e potassio
presente sulle membrane del neurone olfattivo
NKCC: influsso di Cl legato all’influsso di Na
KCC: estrusione di Cl legata all’estrusione di K
Il Ca++ in eccesso e’ poi espulso dalla
cellula per mezzo di scambiatori Na+ Ca2+
Gli ioni calcio e
l’adattamento olfattivo
Il meccanismo di adattamento ci permette di
non percepire più un odore che stimola per un
tempo prolungato e in maniera costante i
nostri recettori. Il ruolo del calcio è
rilevante in questo meccanismo.
Ca2+
Calmodulina
(CaBP)
Adattamento olfattivo
Desensibilizzazione
Desensitizzazione: riduzione della risposta in presenza
continua della molecola odorante
cAMP attiva delle protein chinasi A (PKA) le
quali fosforilano i recettori olfattivi
inattivandoli
ORK =
chinasi dei
recettori
olfattivi
Teorie proposte per la percezione
olfattiva:
Teoria del pattern della forma:
forma i vari
odori sarebbero determinati dalla
congrua corrispondenza di forma fra gli
odoranti e i recettori olfattivi. Questa
è in effetti la teoria biochimica
dominante.
Una teoria alternativa a quella del pattern
della forma è la teoria delle vibrazioni.
vibrazioni A causa
della struttura atomica ogni molecola ha una
caratteristica frequenza di vibrazione, questa
determinerebbe l’odore di quella sostanza.
L’ideatore di questa teoria Luca Turin ha affermato
che infatti molecole che per la loro morfologia
vibrano alla stessa maniera hanno anche lo stesso
odore ma i suoi risultati non sono stati confermati
da studi indipendenti.
La teoria delle vibrazioni in effetti non
riesce a spiegare diversi fatti. Ad
esempio una lacuna della teoria delle
vibrazioni è quella di non poter spiegare i
diversi odori associati ad alcune sostanza
chiamate stereoisomeri.
Il codice degli odori
Si stima che l'uomo sia in grado di percepire circa
10.000 odori.
Le ricerche genetiche hanno rilevato che i geni che
controllano la sintesi delle proteine impiegate per il
riconoscimento degli odori sono circa 350.
"un odore un recettore“
350 OR non sarebbero sufficienti per percepire i
10.000 odori: evidentemente ogni molecola odorosa
interagisce con più recettori e deve esistere un
codice che il cervello è in grado di interpretare.
Il profumo di
gelsomino e’
costituito da
molte
molecole
odorose, la
maggior
parte
degli odori
che noi
percepiamo
sono
costituiti da
miscele
molecolari
Miscele di odori
Il codice degli odori
Per chiarirlo, un gruppo di ricercatori
dell'Università di Berlino ha studiato
quello che avviene nelle api. Scoprendo
che il repertorio degli odori
riconoscibili da questi insetti è molto
esteso, perché è amplificato dalla
presenza di un codice combinatorio
Come fanno 350 OR nell’uomo a
distinguere 10000 diversi odori?
Richard Axel e Linda Buck
Premio Nobel per la Medicina (2004)
Ogni neurone esprime un solo recettore ma
ogni sostanza odorosa stimola (in maniera
diversa) più di un recettore.
Ogni composto attiva una combinazione
unica e caratteristica di recettori.
Questo meccanismo combinatorio consente
ad una ristretta gamma di recettori di
distinguere un elevato numero di odori
Combinatorial
Receptor Codes
for Odorants
Modificare, anche solo leggermente, la struttura di un odorante può
notevolmente alterare il suo odore percepito, anche in modo
drammatico.
Tutti questi acidi hanno un odore poco piacevole, mentre, tutti gli alcol
un odore piacevole. Anche se si differenziano solo per un singolo
gruppo funzionale hanno differenti codici.
Il codice può essere diverso anche se varia la concentrazione di un
odorante. Ad alte concentrazioni vengono reclutati altri OR nella
risposta. Ciò può spiegare perché cambiare la concentrazione di un
odorante possa alterare l’odore percepito.
Come avviene il “processing” del
codice?
Bulbo olfattivo
Segnali da 5000 o più neuroni
con lo stesso OR convergono
solo a 2-4 glomeruli e circa
50 cellule mitrali
Elevata convergenza = maggiore sensibilità
Nell’epitelio olfattivo i neuroni sensoriali non sono disposti
secondo un preciso ordine spaziale, ma sono distribuiti in modo
casuale. Analisi della distribuzione spaziale dei neuroni
esprimenti recettori olfattivi diversi, hanno rivelato che i NSO
che esprimono un dato recettore sono ristretti ad una delle
quattro zone (in direzione dorso-ventrale) in cui viene suddiviso
l’epitelio olfattivo. Tuttavia, all’interno di ciascuna zona, i
neuroni che esprimono recettori diversi sono frammisti fra loro
in modo casuale
La situazione è completamente diversa a livello del bulbo
olfattivo, dove è presente una mappa topografica ben precisa
ed altamente conservata. Le proiezioni assonali di neuroni
esprimenti lo stesso recettore convergono con precisione a
formare glomeruli in specifiche posizioni sul lato mediale e sul
lato laterale di ciascun bulbo olfattivo.
Axel e Buck hanno trovato in modo sorprendente che gli assoni
dei neuroni sensori con lo stesso OR convergono in un unico
glomerulo
La posizione dei glomeruli corrispondenti a un dato recettore e’ conservata
tra individui e tra specie
In definitiva, a determinare
la qualità di un odorante sia
la combinazione dei
recettori attivati e non un
singolo recettore.
Ogni singolo odorante,
legandosi a piu’ recettori
olfattivi attiva una
combinazione di glomeruli
bulbari e pertanto una prima
informazione olfattiva può
essere già decifrata dal
bulbo olfattivo.
Anche se la completa
percezione e
discriminazione degli odori
avviene in aree più centrali
del cervello
Schematic diagram of receptor coding for single odorants and an odorant
mixture. Each odorant activates different but sometimes overlapping subsets
of ORs,
ORs, which define an identity code for an odorant. When the odorants are
mixed, a code for the mixture is expected to be the sum of coding patterns
of its components. However, when antagonism between the odorants occurs, a
smaller number of receptors are activated than the additive number of
activated receptors by single odorants. For example, EG is an agonist for the
red, yellow, and blue receptors, but an antagonist for the green receptor.
MIEG is an agonist for the blue, green, and pink receptors, but an antagonist
for the yellow receptor that corresponds to mOR-EG.
mOR-EG.
Cellule periglomerulari formano connessioni laterali
inibitorie per aumentare la percezione olfattiva
(inibizione laterale)
QUINDI…
Nell’epitelio olfattivo il codice
di un odorante è quindi una
combinazione di OR.
Nel bulbo olfattivo il codice di
un odorante è una
combinazione di glomeruli
la cui organizzazione
spaziale è simile fra gli
individui.
Combinazioni parzialmente
sovrapposte di
input di OR generano
percezioni distinte.
