La codifica olfattiva degli odori è una somma lineare di profili temporali
ROBERTO COLONNA & GIOVANNI ROSSI
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 24 gennaio 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Il nostro olfatto, per ragioni che si comprendono alla luce della storia evolutiva della nostra specie, ci consente la percezione e la discriminazione di migliaia di molecole odorose, convenzionalmente etichettate con un aggettivo sostantivato: odoranti. La struttura chimica di tali composti è di assoluta importanza per la qualità dell’esperienza, al punto che due isomeri della stessa molecola possono dare profumi diversi, come nel caso del carvone: lo stereoisomero L è il tipico aroma della menta, lo stereoisomero D, quello del liquore al Kümmel, ovvero dei semi di cumino. Inducendo sperimentalmente differenze molecolari anche più sottili, si possono generare effetti sorprendenti nel cambiamento della percezione. Questa peculiarità ha storicamente determinato una prima epoca dello studio dell’olfatto quasi interamente dedicata all’analisi chimica delle molecole volatili capaci di interagire con i recettori dei neuroni sensoriali della mucosa nasale[1], seguita da una fase in cui si è andato sviluppando l’approccio elettrofisiologico e, poi, dal periodo dominato dallo studio della biologia molecolare dei recettori, fino all’epoca attuale in cui si cerca di interpretare la fisiologia della funzione olfattiva integrando dati molecolari, cellulari e sistemici.
Lo straordinario potere di identificazione e riconoscimento degli odori che caratterizza il sistema olfattivo dei mammiferi è oggi interpretato come il risultato di una sequenza di eventi di elaborazione dell’informazione, che si verificano in specifici siti anatomici: 1) l’epitelio olfattivo della cavità nasale dove i neuroni sensoriali dell’olfatto (OSN, da olfactory sensory neuron) rilevano i composti aromatici; 2) il bulbo olfattivo, dove avviene la prima elaborazione dell’informazione ricevuta dalle cellule recettrici OSN; 3) la corteccia cerebrale dove si compie l’elaborazione con l’integrazione dei dati di memoria per la discriminazione e le associazioni che influenzano il comportamento.
Esperimenti elettrofisiologici hanno dimostrato che la maggior parte degli OSN riconosce più odoranti, perciò si è ritenuto che lo schema seguito dagli assoni di questi neuroni nel convergere sulle cellule nervose del bulbo olfattivo costituisca una codifica elementare degli odori. Tuttavia è stato ben presto chiaro che la chiave interpretativa di una parte considerevole del processo che consente il riconoscimento olfattivo è nelle molecole recettrici. Per molti anni sono rimaste senza risposte domande quali: quanti recettori sono richiesti per codificare in modo non ambiguo un singolo odorante? Quale spettro di riconoscimento ha ciascun tipo di recettore? In che modo è organizzata l’espressione dei recettori per raggiungere il grado di discriminazione che conosciamo?
Linda B. Buck e Richard Axel, clonando oltre cinquecento geni, hanno identificato una grande famiglia multigenica che codifica centinaia di recettori dell’olfatto dei mammiferi. Questo lavoro, che è valso ai due ricercatori l’assegnazione del Premio Nobel nel 2004, ha consentito il riconoscimento di meccanismi molecolari e principi fisiologici sulla base dei quali è possibile cominciare a rispondere alle domande più sopra elencate.
Il sistema olfattivo riceve stimoli intermittenti e fluttuanti originati dalla dispersione di sostanze volatili nell’ambiente e dall’annusare intenzionale da parte del soggetto, con un conseguente campionamento percettivo occasionale ed episodico. Una considerevole mole di dati suggerisce che l’apparato di trasduzione olfattiva del codice chimico della molecola odorosa in segnale elettrico e il circuito eccitatorio-inibitorio del bulbo olfattivo, generino traiettorie non-lineari di attività neuronica differenti per i diversi odori.
Priyanka
Gupta e colleghi riportano, in un interessante studio che sarà pubblicato sulla
rivista Neuron, il rilievo di dati
che depongono a favore di una codifica, da parte del bulbo olfattivo,
consistente in una somma lineare (Gupta
P., et al. Olfactory bulb coding
of odors, mixtures and sniffs is a linear sum of odor time profiles. Nature Neuroscience - Epub ahead of
print DOI: doi:10.1038/nn.3913, 2015).
La provenienza degli autori dello
studio è la seguente: Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New
York (USA); National Centre for Biological Sciences, Bangalore (India); Watson
School of Biological Sciences, Cold Spring Harbor, New York (USA).
Gli eventi iniziali della percezione olfattiva hanno luogo in un tessuto altamente specializzato che prende il nome di neuroepitelio olfattorio. All’interno di questo tessuto si distinguono tre tipi cellulari principali: i neuroni sensoriali (OSN), le cellule di sostegno e le cellule basali, all’interno delle quali popolazioni di cellule progenitrici costantemente rimpiazzano le cellule OSN, che vanno incontro ad un elevato turnover nel corso della vita.
La cellula OSN è un neurone bipolare che invia alla superficie dell’epitelio un singolo dendrite dal quale si dipartono numerose cilia non vibratili, disposte parallelamente alla superficie di muco che riveste l’epitelio e nel quale sono trattenute le molecole aromatiche. Le cilia delle OSN contengono tutto l’apparato molecolare, consistente in recettori, enzimi effettori e canali ionici, che consente la trasduzione, ovvero la conversione dello stimolo chimico in segnale elettrico. Dall’estremità opposta della cellula emerge un assone, privo di collaterali, che si dirige verso il bulbo olfattivo, dove penetra in regioni specializzate del neuropilo chiamate glomeruli. All’interno dei glomeruli l’assone delle cellule OSN forma sinapsi sia con i neuroni di proiezione che con gli interneuroni. Il principale output dal bulbo, costituito dagli assoni delle cellule mitrali e delle cellule a pennacchio, proietta alle aree olfattive cerebrali di più alto livello, incluso il nucleo olfattorio anteriore e la corteccia piriforme. Gli interneuroni del bulbo olfattivo, quali le cellule periglomerulari e i granuli, hanno un ruolo importante nel modellamento dello stimolo sensoriale, prima che venga inviato alle strutture che compiono i passi successivi dell’elaborazione.
I recettori dell’olfatto, presenti sulla membrana ciliare del dendrite delle cellule OSN, sono membri della superfamiglia dei recettori accoppiati a proteine G e presentano regioni altamente variabili accanto a regioni notevolmente conservate. I recettori dell’olfatto sono stati reperiti anche in vari tessuti al di fuori del sistema olfattivo[2].
Il rilievo degli odori da parte delle cellule OSN, che consente il riconoscimento e l’attivazione di memorie di significato grazie all’elaborazione corticale, implica l’intervento di un grande numero di recettori, ciascuno in grado di rispondere ad uno spettro limitato di molecole aromatiche. L’informazione generata da centinaia di tipi recettoriali deve essere organizzata perché si possa giungere alla elevata capacità di identificazione tipica anche dell’olfatto umano esercitato[3]. Tale organizzazione è stata analizzata mediante lo studio dell’espressione zonale di recettori dell’olfatto e della convergenza dei neuroni sensoriali su pochi glomeruli nel bulbo olfattivo. Si ritiene, attualmente, che la sensibilità del sistema olfattivo derivi principalmente dalla capacità dell’apparato di trasduzione di amplificare efficacemente i segnali e poi farli rapidamente cessare. Il riconoscimento di un odorante avvia un processo a cascata del secondo messaggero che porta alla depolarizzazione dei neuroni e alla genesi di potenziali d’azione, ma alcune sub-popolazioni di OSN usano meccanismi di trasduzione alternativi.
Non si ha ancora un’esatta conoscenza di tutti i processi neurali che portano al riconoscimento degli odori e del modo in cui alcuni aspetti della fisiologia dell’odorato si compiono, ma i risultati della ricerca fin ora condotta fanno ritenere che i primi due livelli di elaborazione, come si è precedentemente notato, determinino la genesi di traiettorie non-lineari caratteristiche per i singoli odori.
Gli esperimenti condotti da Gupta e colleghi mostrano che single unità cellulari mitrali e a pennacchio (M/T, da mitral/tufted cells) sommano linearmente, attraverso il tempo e gli odori, gli stimoli in entrata ricevuti. I ricercatori hanno disaccoppiato la respirazione dal campionamento degli odori secondo una collaudata procedura che impiega roditori (in questo caso ratti) anestetizzati. In tal modo hanno evidenziato, studiando la reazione delle cellule M/T ad arbitrarie configurazioni di onde rappresentanti odori e a mescolanze di stimoli noti, che i processi di questi neuroni sono ben descritti in termini di impulsi di risposta implicanti il profilo temporale del singolo odorante.
Gli stessi impulsi di risposta associati con il flusso aereo respiratorio predicevano la classica attivazione dei neuroni del bulbo olfattivo associata alla respirazione e vari altri tipi di attività reattiva che sono stati riportati come specifiche proprietà di risposta delle cellule M/T.
I risultati complessivamente registrati in questo studio, per il cui dettaglio si rimanda alla lettura del lavoro originale, mostrano che il bulbo olfattivo elabora linearmente gli stimoli odorosi fluttuanti, in tal modo semplificando il processo a valle di decodifica dell’identità degli stimoli e della dinamica temporale.
Gli autori ringraziano la
professoressa Diane Richmond per la collaborazione e la dottoressa Floriani per
la correzione della bozza, e invitano alla lettura dei numerosi scritti
sull’olfatto, in gran parte costituiti da recensioni di studi sperimentali, che
appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno
nella pagina “CERCA”). Inoltre, si ricorda, nella sezione “AGGIORNAMENTI”: Aggiornamento su olfatto e chemorecezione
accessoria (scheda introduttiva: “Olfatto ed oltre”, seguita dai testi di
14 recensioni e due articoli informativi); nella sezione “IN CORSO”: Il sesso e il nervo sconosciuto.
[1] Stagione nella quale fra i protagonisti indiscussi vi è stata la ricercatrice italiana Eleonora Giorgi.
[2] In alcuni casi queste molecole sono state identificate come recettori olfattivi soltanto in base ad omologie di sequenza: in questi casi si dovrebbe parlare di olfactory receptor like proteins; in altri casi si tratta di veri e propri recettori olfattivi con doppia funzione. Il migliore esempio è costituito da un recettore olfattivo umano che, nell’epitelio olfattivo, media la risposta al composto bourgeonal (un’aldeide aromatica dal profumo che ricorda il mughetto), mentre nel liquido spermatico è implicato nella chemiotassi.
[3] Si pensi al lavoro di “annusatore” di profumi, formaggi o tartufi, si veda Note e Notizie 03-02-07 Uomini che fiutano una pista come cani, e, sempre fra le nelle nostre “NOTE E NOTIZIE”, le numerose recensioni di argomento connesso (ad es.: Note e Notizie 17-01-09 Funzione olfattiva e schizofrenia; per le funzioni non olfattive anatomicamente associate alle vie dell’olfatto: Note e Notizie 31-03-07 Il sesso e il nervo sconosciuto).