Mirosul mamiferelor - procesul de percepție de către mamifere a prezenței substanțelor volatile în aer , manifestat prin formarea unei senzații specifice (senzație de miros ), analiza mirosului și formarea unor senzații subiective , pe baza cărora animalul reacționează la schimbările care au loc în lumea exterioară . De acest proces la mamifere este responsabil analizatorul olfactiv , care a apărut într-un stadiu incipient al evoluției cordatelor [1] [2] .
Recepția olfactivă constă în detectarea unei substanțe odorante de către chemoreceptorii olfactivi , transmiterea informațiilor olfactive către sistemul nervos central și prelucrarea acesteia de către structurile telencefalului . Oferă o serie de răspunsuri comportamentale adaptative : alimentar, sexual, defensiv, cercetare [3] .
La majoritatea mamiferelor, analizatorul olfactiv este reprezentat de două sisteme senzoriale; acestea sunt sistemul olfactiv principal și sistemul olfactiv suplimentar . Fiecare dintre ele include trei părți: o parte periferică (organele mirosului), o parte intermediară (oferă transmiterea impulsurilor nervoase și constă dintr-un lanț de neuroni intercalari ) și o parte centrală (centri olfactiv din cortexul cerebral ). În același timp, principalul organ olfactiv este reprezentat de regiunea olfactivă - o zonă limitată a epiteliului cavității nazale , iar organul olfactiv suplimentar - de organul Jacobson (un alt nume: organ vomeronazal ), care este o cavitate închisă care comunică cu cavitatea bucală [2] .
Organele mirosului mamiferelor sunt mai dezvoltate decât la alte vertebrate terestre și joacă un rol foarte important în viața lor. Capacitatea de a distinge mirosurile este folosită de mamifere pentru orientarea în spațiu, la căutarea hranei, în cadrul contactelor interspecifice și intraspecifice [4] . Importanța simțului mirosului pentru mamifere este evidențiată și de faptul că cea mai extinsă familie de gene din genomul acestora este formată din genele care codifică proteinele receptorilor olfactivi [5] . Simțul mirosului joacă, de asemenea, un rol în alimentația mamiferelor: mirosurile plăcute declanșează secreția de salivă și suc gastric , iar cele neplăcute avertizează asupra potențialului rău (de exemplu, mirosul neplăcut al alimentelor stricate) [6] .
După gradul de dezvoltare a funcției olfactive, mamiferele se împart în două grupe: macrosmat cu un simț al mirosului excepțional de acut (majoritatea mamiferelor) și microsmat cu un simț al mirosului moderat dezvoltat ( primate , cetacee , pinipede ) [7] .
Diferența dintre aceste grupuri se vede clar când se compară gradul de dezvoltare a simțului mirosului la oameni și câini . Dacă un nas uman are aproximativ 6 milioane de celule olfactive, atunci un câine are aproximativ 225 de milioane [8] . Multe macrosmat-uri miros la o distanță de câteva sute de metri și sunt capabile să găsească obiecte alimentare în subteran [9] . Este o practică binecunoscută căutarea trufelor care cresc în pădure subterană cu ajutorul câinilor și porcilor de căutare special dresați , care sunt capabili să simtă mirosul trufelor sub pământ la o distanță de până la 20 m [10] .
Gradul de dezvoltare a simțului mirosului se corelează în general cu numărul de gene care codifică diferite tipuri de proteine funcționale ale receptorilor olfactiv . Macrosmates au de obicei mai mult de 1000 dintre ei, multe primate au aproximativ 500, oamenii au doar 387 (aproximativ 1–2% din genom [11] ), iar ornitorincii au 262 [12] . Aparent, simțul mirosului este cel mai prost dezvoltat la cetacee; au și cel mai mare procent de pseudogene ale receptorilor olfactiv [13] .
Organele olfactive ale mamiferelor sunt situate în partea posterioară superioară a cavității nazale , unde ia naștere un sistem foarte complex de turbinate olfactive - petale osoase subțiri îndreptate în interiorul cavității și acoperite cu epiteliu olfactiv , care este foarte complex, mai ales în macrosmate . In cornet are loc nu doar analiza olfactiva a aerului inhalat, ci si incalzirea acestuia inainte de a intra in plamani. Dintre speciile moderne de tetrapode , cochiliile olfactive se găsesc numai la mamifere, precum și la câteva specii de păsări în care aceste cochilii au apărut independent [14] . Epiteliul olfactiv conține celule receptori olfactiv, celule de susținere care secretă mucus și au proprietăți similare cu celulele gliale , precum și celule bazale, care, ca și celulele stem , sunt capabile să se dividă și să dea naștere la noi neuroni funcționali de-a lungul vieții. animal. Dimensiunea epiteliului olfactiv la mamifere variază de la 2-4 cm² (om) și 9,3 cm² (iepure) până la 18 cm² (câine) și 21 cm² (pisica domestică). Cu toate acestea, aceste valori nu dau o idee despre acuitatea mirosului, deoarece nu iau în considerare numărul de receptori olfactivi pe unitate de suprafață. Receptorii olfactivi sunt capabili să capteze moleculele de substanțe mirositoare conținute în aerul inhalat. La fel ca receptorii gustativi, ei sunt clasificați ca chemoreceptori . Semnalele despre prezența substanțelor mirositoare sunt transmise prin nervul olfactiv către centrul corespunzător al creierului- bulbul olfactiv sau centrii primari ai mirosului ai cortexului cerebral . Din acestea din urmă, semnalele olfactive sunt transmise hipotalamusului , sistemului limbic , formațiunii reticulare și neocortexului [7] [6] [15] .
Majoritatea mamiferelor păstrează organul lui Jacobson ca o secțiune separată a capsulei olfactive. Acest organ, care se găsește și în peștii pulmonari și în majoritatea tetrapodelor (cele mai importante excepții sunt păsările și crocodilii ), servește în principal pentru percepția feromonilor . La reprezentanții unui număr de grupuri ( cetacee , sirene , majoritatea liliecilor și primatelor cu nasul îngust , inclusiv oamenii ), organul Jacobson este rudimentar sau complet pierdut [16] [17] [18] .
Organul vomeronazal este căptușit cu epiteliu olfactiv, similar cu cel care acoperă turbinatele nasului. Celulele receptorilor olfactiv sunt reînnoite pe tot parcursul vieții și sunt susținute de celulele epiteliale și bazale, dar în loc de cili au microvilli (microvili). Moleculele receptorilor sunt, de asemenea, reprezentate de GPCR, dar secvența lor de aminoacizi nu are nimic de-a face cu receptorii turbinați. GPCR-urile organului vomeronazal sunt reprezentate de două familii distincte, fiecare conținând 100 până la 200 de gene și dezvoltate independent. Membrii uneia dintre aceste familii au un domeniu N-terminal extracelular lung similar cu receptorul metabotropic de glutamat . Al doilea mesager aici nu este AMPc, ca în corinetele nazale, ci trifosfatul de inozitol. Fibrele aferente din epiteliul vomeronazal se proiectează în bulbul olfactiv accesoriu, care la majoritatea oamenilor este situat posterior de bulbul olfactiv principal. La fel ca epiteliul olfactiv al nasului, epiteliul vomeronazal este, de asemenea, subdivizat în zone: diferite proteine G sunt exprimate în părțile apicale și bazale ale organului. Aceste zone se păstrează și în proiecții în bulbul olfactiv suplimentar: zona apicală a epiteliului este proiectată în zona anterioară a bulbului, iar zona bazală în cea posterioară. Glomerulii din bulbul suplimentar sunt mai puțin pronunțați decât în cel principal. De asemenea, în locul unei hărți spațiale a becului principal, reprezentarea becului suplimentar este mai complexă și mai plină. Bulbul accesoriu nu are proiecții la cortex și este conectat doar cu sistemul limbic: cu amigdala și nucleii hipotalamici , care joacă un rol important în comportamentul sexual. Poate că bulbul suplimentar reacționează numai la combinații specifice specifice speciei de substanțe ale feromonului corespunzător și pur și simplu ignoră toate celelalte [19] .
Receptorii olfactivi ( celulele olfactive ) sunt neuroni bipolari cu o singură dendrită neramificată. Trece între celulele bazale și se termină într-un mic club umflat-olfactiv . Din el ies până la 20 de cili lungi, care reprezintă suprafața senzorială a celulei olfactive. Ele sunt de obicei scufundate într-un strat de mucus care acoperă epiteliul și formează o matrice densă cu acesta. Celula olfactivă are o dublă funcție: perceperea unui stimul și transmiterea unui impuls nervos către creier , prin urmare este o celulă neurosenzorială (neuron senzorial). Axonii care efectuează transmiterea semnalului către sistemul nervos central sunt colectați în mănunchiuri - filamente olfactive . Neuronii olfactivi sunt capabili de înlocuire prin divizarea celulelor bazale [20] [21] .
Mucusul în care se află cilii olfactivi conține o cantitate mare de proteine de mărime medie (20 kDa) , care sunt secretate de glandele nasului și se găsesc în mucusul care acoperă nu numai epiteliul olfactiv, ci și pur respirator. Aceste proteine se leagă probabil foarte neselectiv la moleculele de substanțe odorante (odorante) și asigură interacțiunea lor cu celulele receptorului [20] .
Cilii olfactivi nu diferă ca ultrastructură de alți cili și conțin un axonem comun nemotil . Cilii olfactiv sunt foarte lungi și subțiri: cu o lungime de 5 până la 250 de microni , ating doar 100-250 nm în diametru . Ele sunt colectate în mănunchiuri de 5-40 și ies din clubul celulei olfactive, mărind suprafața senzorială a acesteia. Proteinele receptorilor sunt localizate pe suprafața cililor. Fiecare genă din familia de gene care codifică astfel de proteine codifică o anumită varietate a acestora, iar pe cilii unei celule olfactive există proteine olfactive dintr-o singură varietate; nu toate genele acestei familii, cu toate acestea, pot fi exprimate (de exemplu, aproximativ 40% din aceste gene sunt exprimate la om). Multă vreme a rămas neclar dacă ciliul răspunde la mai multe tipuri de odorante sau doar la unul [11] . Acum, totuși, s-a stabilit că celulele olfactive de un tip sunt specifice unei clase înguste specifice de compuși chimici , deoarece recunosc motive structurale speciale în ele [14] [21] .
Indiferent de specificitate, sensibilitatea celulelor olfactive este foarte mare: sunt capabile să înregistreze substanțe în concentrații de la 10 -4 M până la 10 -13 M. La răceală, sensibilitatea scade datorită faptului că cilii sunt scufundați în prea grosime. un strat de mucus [11] .
Pe lângă celulele olfactive asociate cu nervul olfactiv, există și terminații libere ale nervului trigemen în mucoasa nazală ; sunt capabili să reacționeze la unele mirosuri agresive, cum ar fi vaporii de acid sau de amoniac [21] .
Conducerea unui stimul olfactiv începe după cum urmează. Substanța mirositoare se leagă de un receptor din membrana celulei olfactive. Receptorul olfactiv este un receptor cuplat cu proteina G și, ca toate GPCR, conține 7 domenii . Spre deosebire de alți receptori ai superfamiliei GPCR, receptorii olfactivi se caracterizează printr-o mare diversitate de aminoacizi în domeniile transmembranare 3, 4 și, mai ales, 5. În plus, receptorii olfactivi diferă de alți GPCR prin mai puțină specificitate: au, la într- un grad sau altul, afinitate pentru o varietate de odorante similare stereochimic . Cu toate acestea, modificări ușoare ale structurii chimice a odorantului pot corespunde unei modificări a setului de receptori stimulați și unei modificări a percepției subiective. Astfel, înlocuirea grupei hidroxil a octanolului cu una carboxil duce la o schimbare semnificativă a percepției olfactive: în loc de un miros care amintește de o portocală , există un miros de râncezire și transpirație. În plus, numărul de receptori stimulați și percepția subiectivă pot depinde de concentrația odorantului. De exemplu, la concentrații mici, indolul are o aromă florală plăcută, în timp ce la concentrații mari, are un miros dezgustător, putred [22] .
Legarea odorantului de receptor activează proteina Gs [ , care activează enzima adenilat ciclază , ca urmare a căreia GTP se descompune în fosfat și GDP . Adenilat ciclaza transformă ATP în cAMP , care se leagă de un canal de cationi dependent de ciclonucleotide din membrană și deschide fluxul de ioni de Na + și Ca 2+ în celula olfactivă, declanșând astfel un potențial de acțiune în ea, care este apoi transmis către aferente . neuronii [21] . Uneori, receptorii olfactivi, totuși, nu activează adenilat ciclaza, ci fosfolipaza și nu cAMP, ci inozitol trifosfat și diacilglicerol , acționează ca un mesager secundar . În plus, este posibil ca în celulele olfactive, datorită activării NO sintazei de către calciu, să se formeze NO , ceea ce duce la formarea cGMP [23] .
Canalele dependente de ciclonucleotide au șase segmente hidrofobe și sunt similare structural cu canalele ionice dependente de tensiune . Diferența constă în prezența unui domeniu citoplasmatic C-terminal mare în canalele dependente de ciclonucleotide , care se leagă de mesagerii secundari. Există 2400 de canale/µm² pe cili (există doar 6 canale/µm² pe clubul olfactiv și dendrită. În absența calciului, canalele dependente de ciclonucleotide sunt permeabile pentru toți cationii monovalenți : Na + > K + > Li + > Rb + > Cs + .Sub influența unui ion odorant, curenții prin canalele dependente de ciclonucleotide se modifică, ducând la depolarizarea membranei celulare și declanșând potențialul de acțiune [24] .
Celulele olfactive de același tip își transmit semnalele către același glomerulus bulbului olfactiv, iar organizarea spațială a acestuia din urmă repetă topografic localizarea receptorilor pe suprafața învelișului olfactiv [14] . Trebuie remarcat faptul că un receptor olfactiv poate fi excitat de o moleculă odorantă [25] .
În 2004, Linda Buck și Richard Axel au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină pentru cercetările lor asupra receptorilor olfactivi la mamifere [26] ; ei au fost cei care au stabilit natura chimică a proteinelor receptorului olfactiv, au dat o estimare a numărului de gene din genomul mamiferelor care codifică aceste proteine și au fundamentat regulile conform cărora o celulă olfactivă exprimă un tip de proteine receptorului olfactiv și unul și același este responsabil de procesarea semnalului tuturor celulelor olfactive de același tip.același glomerulus al bulbului olfactiv [27] [28] .
Este interesant că canalele dependente de ciclonucleotide ale cililor olfactiv nu sunt desensibilizate , adică nu își pierd sensibilitatea la prezentarea repetată a odorantului. Cu toate acestea, în celulele olfactive are loc însă adaptarea. Acest lucru se datorează probabil pătrunderii ionilor de Ca 2+ în celulă , care, fie direct, fie prin activarea calmodulinei , duc la închiderea canalelor ionice și, în plus, desensibilizează GPCR [29] .
În plus, răspunsul la un stimul olfactiv este gradual, adică o concentrație mai mare a unui odorant corespunde unui răspuns mai mare. Acest lucru se datorează faptului că AMPc crește sau scade numărul de canale deschise dependente de ciclonucleotide. Este necesar un răspuns rapid pentru a discrimina eficient între semnale în timp real. S-a demonstrat că vârful formării cAMP are loc la 40-75 ms după expunerea la o substanță mirositoare și scade la zero după 100-500 ms. Cascada de proteine G amplifică semnalul, datorită căruia un impuls al odorantului activează multe canale. Cu toate acestea, cinetica canalelor este destul de lentă, iar starea deschisă poate rămâne în urma pulsului cAMP cu câteva milisecunde. Cu activarea prelungită a odoranților GPCR, impulsurile cAMP mențin canalele dependente de ciclonucleotide într-o stare permanent deschisă [29] .
Spre deosebire de alte sisteme senzoriale ( vizual , auditiv , somatosenzorial și, într-o măsură mai mică, gustativ ), unde epiteliul senzorial înregistrează informații spațiale, funcția de „mapping” a epiteliului olfactiv nu este atât de pronunțată. Cu toate acestea, conține rudimentele organizării spațiale. Cartografierea cu 2-deoxiglucoză , care face posibilă identificarea celulelor active, a arătat că există grupuri de celule în epiteliul olfactiv asociate cu anumite mirosuri. Deci, butanolul excită celulele regiunii anterioare, iar limonenul activează celulele mucoasei posterioare. În plus, s-a demonstrat recent că celulele receptorilor sunt organizate în benzi anterioare-posterioare (așa-numitele zone de expresie ), fiecare dintre ele conține un set complet de celule. Se pare că există 3 zone de expresie care nu se suprapun, care se suprapun cu o zonă mai mică, a patra [30] .
Axonii celulelor bipolare olfactive sunt combinați în câteva zeci de mănunchiuri, fiecare dintre acestea conținând câteva sute sau mii de fibre. Ele intră în cavitatea craniană prin deschiderile osului etmoid și se combină în nervii olfactiv . Terminațiile celulelor olfactive primare formează sinapse cu dendritele celulelor bulbilor olfactiv. Fiecare astfel de celulă ( celula mitrală ), care este un neuron senzitiv de ordinul doi, primește semnale de la aproximativ 1000 de axoni ai celulelor senzoriale primare, adică aproximativ 1000 de axoni olfactivi converg către ramificațiile dendritei apicale a unei celule mitrale. . Aproximativ 25 dintre aceste dendrite, împreună cu terminalele, formează formațiuni sferice - glomeruli . Aproximativ 2500 de axoni olfactiv converg pe un glomerulus, iar în bulbul olfactiv al iepurilor există aproximativ 2000 de glomeruli . Celulele mitrale se caracterizează prin activitate ritmică datorită inhalării de substanțe mirositoare. Interneuronii locali ai bulbilor olfactiv (celule periglomerulare situate intre glomeruli si celulele granulare sub celulele mitrale) sunt capabili sa contrasteze semnalele primite. Căile eferente ale bulbului olfactiv opus, structurile limbice și formarea reticulară a creierului se termină pe aceste celule . Sistemul de contacte sinaptice din bulbul olfactiv este extrem de complex, la fel ca și chimia acestuia: în el au fost identificați aproximativ o duzină de neurotransmițători , printre care se numără acetilcolina , dopamina , GABA și câteva neuropeptide [31] .
Axonii celulelor mitrale formează un tract olfactiv care duce la centrii olfactivi de ordin superior, care, împărțindu-se în mai multe părți, se termină la structurile limbice ale prosencefalului: nucleul olfactiv anterior , sept, piriform și girus parahipocampal. . Din aceste structuri, informațiile intră în hipocamp , amigdală , cortexul orbitofrontal (direct sau prin talamus ) și în formarea reticulară a mezencefalului [32] [6] .
Recunoașterea unui anumit miros este rezultatul unei combinații de receptori și creier, ca urmare a căreia este prezentat ca o combinație de „mirosuri primare”. În conformitate cu teoria stereochimică a mirosului Moncrieff-Aymour [33] , o persoană are un sistem de recunoaștere a mirosului cu șapte componente bazat pe distincția a șapte mirosuri primare: mosc, camfor, floral, eteric, mentă, caustic și putred (substanțe aparținând la același grup sunt similare în modelul stereo ) [34] [35] .
La om, analiza genetică a relevat câteva zeci de anosmie specifice - tulburări ale sistemului olfactiv, manifestate prin incapacitatea de a distinge anumite mirosuri. De exemplu, incapacitatea de a detecta mirosul de cianură apare la o frecvență de 1:10, iar butil mercaptan (substanța mirositoare a unei skunk ) - 1:1000. Probabil, anosmia se datorează unor defecte ale receptorilor olfactivi specifici. Multe anosmii prezintă moștenire mendeliană , dar genetica anosmiilor este puțin înțeleasă [29] .