Come è possibile la codifica olfattiva ultrarapida

 

 

ROBERTO COLONNA

 

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XV – 06 ottobre 2018.

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]

 

Le acquisizioni più recenti hanno reso evidente che l’olfatto è un senso dotato di una capacità di elaborazione talmente rapida da non poter essere spiegata sulla base delle nozioni neurobiologiche convenzionali. Differenze di pochi millisecondi fra lo spike del potenziale d’azione indotto da stimoli diversi sono impiegate dagli animali per analizzare il loro ambiente olfattivo.

Come è possibile questo, se i neuroni recettori dell’olfatto hanno una fisiologia notevolmente lenta rispetto a quest’ordine di grandezza e risultano temporalmente imprecisi alle prove sperimentali? E, più direttamente, molti ricercatori si sono chiesti come è possibile per gli animali delle specie più diverse risolvere le rapide dinamiche degli stimoli olfattivi e acquisire annusando informazioni con una alta acuità temporale?

Il problema è stato affrontato da Egea-Weiss e colleghi mediante uno studio in Drosophila melanogaster, con risultati di notevole interesse.

(Egea-Weiss A., et al. High precision of Spike Timing across Olfactory Receptor Neurons allows Rapid Odor Coding in Drosophila. iScience 4: 76-83, 2018).

La provenienza degli autori è la seguente: University of Konstanz, Department of Biology, Neurobiology, Konstanz (Germania); Institute of Neuroinformatics, University of Zurich and ETH Zurich, Zurich (Svizzera).

Lo studio del sistema olfattivo dei mammiferi si è rivelato di enorme interesse per le neuroscienze, dalla genetica dei recettori dell’olfatto, con lo straordinario lavoro di identificazione di oltre 500 geni premiato con il Nobel a Richard Axel e Linda B. Buch, al riconoscimento del bulbo olfattivo come una delle tre strutture in cui si verifica neurogenesi nel cervello adulto, nuove branche di studio si sono aggiunte negli anni recenti ai tradizionali studi sulla trasduzione del segnale generato dalle molecole odorose, o “odoranti” dall’inglese odorant, e sulla elaborazione corticale delle informazioni. L’esperienza di studio in seno alla nostra scuola neuroscientifica è stata focalizzata sull’olfatto umano e su quello dei mammiferi maggiormente impiegati nelle osservazioni sperimentali (roditori), anche in ordine alla comprensione del mutamento filogenetico che ha portato dalla prevalenza dell’olfatto nell’organizzazione funzionale del cervello sociale (rinencefalo delle specie macrosmatiche) a quella della vista collegata attraverso l’integrazione trans-modale a tutti gli altri sensi nella loro elaborazione cognitiva.

Piccole differenze di struttura fra molecole riconosciute dai nostri recettori olfattivi sono sufficienti per determinare odori fra loro diversi e distanti nel nostro giudizio olfattivo. In proposito, si cita in genere il carvone, un terpenoide con formula C10H14O: il suo L-stereoisomero dà il profumo della menta, il suo D-stereoisomero, quello del liquore Kummel o cumino. Ma si possono avere differenze sorprendenti nella fragranza per cambiamenti strutturali di una molecola ancora minori[1].

In breve, nell’elaborazione della percezione olfattoria dei mammiferi si riconoscono degli eventi iniziali che hanno luogo in un neuroepitelio specializzato con cellule OSN, basali e di supporto; ciascuna cellula OSN, che è una cellula bipolare, invia un prolungamento alla superficie dell’epitelio e un assone al bulbo olfattivo, che forma sinapsi in aree specializzate dette glomeruli. Le giunzioni sono formate sia con neuroni di proiezione che con interneuroni locali. L’uscita principale dal bulbo è costituita da assoni delle cellule mitrali e delle cellule a pennacchio che proiettano nelle aree olfattorie superiori del cervello, inclusa la corteccia olfattoria. Si ricorda, poi, che i principi di organizzazione della codifica degli odori sono stati individuati grazie alla clonazione dei geni dei recettori delle molecole odorose.

L’insetto, e in particolare il moscerino della frutta e dell’aceto Drosophila melanogaster, rappresenta un paradigma estremamente più semplice, ma utile in quanto la struttura funzionale di base della rilevazione e della risposta dei segnali chimici percepiti dalle strutture osmatiche è altamente conservata nella filogenesi.

Egea-Weiss e colleghi, usando registrazioni parallele dai neuroni recettori dell’olfatto di Drosophila, hanno scoperto risposte rapide e temporalmente precise di picchi evocati da stimoli odorosi, mai documentate in precedenza. Il tracciato elettrofunzionale presentava latenze del primo picco, relativo all’arrivo della molecola odorosa, inferiori a 3 ms e una SD sotto 1 ms.

Questi dati, per quanto semplici, forniscono un nuovo limite superiore per la velocità dell’elaborazione olfattiva e suggeriscono che il sistema olfattivo dell’insetto potrebbe usare il preciso “tempo di picco” per la codifica olfattoria e la computazione, cosa che potrebbe spiegare la rapida elaborazione degli stimoli temporali da parte degli insetti quando incontrano esalazioni odorose turbolente.

 

L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Roberto Colonna

BM&L-06 ottobre 2018

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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[1] Steven D. Munger, Molecular Basis of Olfaction and Taste, in Basic Neurochemistry (Brady, Siegel, Albers, Price), VIII edition, p. 904, AP Elsevier, 2012.