Da molecola a odore

Mentre riorganizzo gli appunti e i pensieri del dopo congresso vorrei condividere con voi alcune riflessioni nate da uno degli interventi a cui ho assistito.

Stuard Firestein, professore alla Columbia University, ripropone un problema non banale: cosa fa di una molecola un odore? perché non tutte le molecole hanno un odore? e perché a volte molecole molto diverse tra loro sanno della stessa cosa?

Si tratta, se vogliamo, anche di una questione metodologica, perché si ripercuote sui criteri che decidiamo di adottare per classificare gli odori. Quali caratteristiche prendere in considerazione? Ci possiamo focalizzare sull’identità chimica di una molecola, su come è fatta, ma rischiamo però perdere di vista il suo significato biologico, ovvero il cosa fa. O possiamo concentrarci su caratteristiche più edonistiche e legate alla percezione. Rimane comunque un po’ di confusione: un colore è freddo o caldo, una nota acuta o grave, e un odore?

Per secoli filosofi e scienziati hanno provato a classificare gli odori in vario modo. Linneo (1756) nel suo Systema naturae li classificava in sette classi:

  1. Aromaticos, come il garofano per esempio
  2. Fragrantes, come i fiori
  3. Ambrosiacos, vedi il musk
  4. Alliaceos, come l’aglio appunto
  5. Hircinos, tipo l’odore di capra
  6. Tetros, dato da certi insetti (presente le cimici?)
  7. Nauseous, sul genere di carne putrefatta e simili

Col passare del tempo numerosi studiosi si resero conto di come fosse difficile raggruppare gli odori in poche classi, e che classificazioni simili a quelle di altri domini sensoriali, come per esempio i colori, primari e secondari, con gli odori avevano senso solo fino a un certo punto. Hendrik Zwaardemaker (1857-1930), che tra l’altro inventò un aggeggio (per quei tempi) come l’olfattometro (1888), identificò 30 diverse classi di odori. Scoprì pure un altro fatto: alcuni odori una volta mischiati tra loro si annullano. Ossia un odore previene la percezione di un altro odore. Sono coppie di Zwaardemaker, per esempio:

·        Acido butirrico – odore rancido- e olio essenziale di ginepro;

·        Scatolo – presente nelle feci – e l’olio di cedro;

·        Ammoniaca – odore di urina- e l’olio di rose.

 

Negli anni Cinquanta del secolo scorso Cerbelaud fu il primo a redarre una classificazione a uso e consumo dei profumieri dividendo gli odori in 45 classi. Pochi anni dopo, 1968, Harpeer fa un’ulteriore classificazione individuando 44 classi e compiendo una meticolosa opera di nomenclatura e classificazione includendo anche puzze e odori specifici di cibi e bevende. Questa lista nel 1978 viene estesa da Dravnieks a 146 odori, che in realtà corrispondono ad altrettanti descrittori olfattivi. In questo modo diventa più facile individuare “per confronto” le differenze tra due odori.

Tuttavia il problema rimane, prendiamo queste due molecole chimicamente diverse:

  • 5-alfa-androst-15-en-3 lafa-ol
  • 2-ethyl-4- (2,2,3-trimethyl-cyclopent-3- en 1-R-yl)-2E-buten-1-ol

Ecco, queste due robe qui sanno entrambe di sandlwood 😀

Come è possibile?

Prendiamo invece queste due molecole alifatiche, molto simili tra loro:

  • Hexil acetato
  • Heptil acetato

Queste due sanno una di banana e una di pera.

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Perché?

È quello che appunto ci chiediamo.

Una delle cose che restano ancora da capire è come funzioni il codice combinatorio molecole-recettori olfattivi. Nei roditori ci sono circa 1100 recettori, nell’uomo quasi 400. Ogni neurone olfattivo esprime un solo recettore, ma questo non significa che ogni recettore riconosce solo una molecola e finita lì. Ci sono alcuni recettori più specifici, ma sono la minoranza, nella maggior parte dei casi un recettore può riconoscere molecole diverse, con diversa affinità. E molecole diverse possono legarsi a diversi recettori. Questo è il motivo per cui si parla di codice combinatorio, ed ecco perché è importante capire quali caratteristiche di una molecola sono essenziali per uno specifico odore.

Una via di indagine, proposta da Firestein, è quella – detta in soldoni – di procedere con uno screening che integri l’aspetto puramente chimico con quello biologico: date una serie di molecole vado a vedere quale è il o i gruppi funzionali o la parte strutturale che mi dà lo stesso effetto biologico. È un metodo usato in chimica medica e per studiare l’attività farmacologica dei composti e si basa sull’idea di bioisosterismo, ossia di molecole con effetti biologici simili.

C’è anche da considerare un’altra cosa: un odore di per sé non esiste. C’è una molecola che si lega ai recettori olfattivi nel nostro naso, questi trasformano il segnale chimico in un segnale nervoso che arriva al cervello dove le informazioni vengono integrate e ci danno una percezione: l’odore.

Volendo andare un po’ sul filosofico verrebbe da dire che l’odore sta nel naso di chi annusa…

 

Bonus

La ricerca scientifica è fatta per lo più di esperimenti malriusciti. Non è quasi mai un percorso lineare ma procede a salti e tentativi, e non si procede quasi mai da soli: è la comunità scientifica che lavorando su un tema specifico porta avanti la baracca, ogni pubblicazione scientifica aggiunge un tassello a ciò che già si conosceva, magari contraddicendo altri dati, magari approfondendo alcuni aspetti. Difficilmente c’è ‘La scoperta scientifica” cosi’ come siamo abituati a immaginarla, ma una serie di osservazioni e dati che contibuiscono a chiarire aspetti specifici di un problema generale, per esempio come funziona o come avviene un certo meccanismo biologico.

In tutto questo come dicevo c’è tutto un mondo, quello dei fallimenti. Stuard Firestein, dopo averci parlato dell’importanza dell’ignoranza, esce ora con il secondo libro: Failure.

 

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Bella di notte*

Sul perché la Petunia profuma quando gli altri dormono

 

Questo è un periodo bellissimo: rientro a casa a tarda sera mentre l’aria trasuda odori. Non sono più quelli freschi e frizzantini della primavera, questi sono odori di donna piena, odori caldi e un po’ sgualciti, inebriano e ti mettono a tuo agio. Cammino sotto il cielo lucido ancora azzurrino, ché qui il sole tramonta tardi, non vuole allontanarsi, come se sapesse cosa lascia: il profumo dei fiori notturni.

Alcuni fiori sbocciano in piena notte, nottambuli di professione adescano gli impollinatori che si muovono col favore delle ombre. Emettono il loro profumo secondo fasi precise, regolate dal ritmo circadiano e sincronizzate con le ore di veglia degli animali impollinatori. Senza di essi infatti queste piante non potrebbero riprodursi. Come siano regolati geneticamente questi meccanismi non è però ancora del tutto chiaro.

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Washington (Seattle, USA) ha appena pubblicato sulla rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) uno studio che mostra come un gene responsabile del ritmo circadiano della petunia regola anche la produzione e il rilascio del suo profumo. I ricercatori del gruppo di Takato Imaizumi, hanno infatti scoperto che in Petunia hybrida il gene phLHY (Late Elongated Hypocotyl), coinvolto nella regolazione dei ritmi circadiani della pianta, influenza l’espressione dei geni responsabili della produzione delle molecole odorose.

Il profumo di Petunia hybrida è dovuto principalmente a un gruppo di composti organici volatili, benzenoidi e fenilpropanoidi, derivati dalla fenilalanina. Questo processo di produzione e assemblaggio è regolato dal gene ODO1. I ricercatori hanno ora scoperto che il gene del ritmo circadiano phLHY è attivo soprattutto al mattino e inibisce l’attivazione di ODO1, e quindi la produzione di profumo. Quando di notte l’attività di phLHY diminuisce, ODO1 viene disinibito e il fiore rilascia il suo odore. Siccome questi due geni sono presenti in quasi tutte le piante con fiori, gli scienziati pensano di estendere la loro ricerca per capire se questo meccanismo valga in generale anche per le altre piante.

 

Avevo preso una pianta di petunie nere, black velvet, proprio qualche tempo fa e l’avevo messa senza pensarci troppo sul comò in camera da letto. D’altra parte sono anch’io un po’ un animale notturno.

 

 

Photo credit / source: online.wsj.com

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* Nota: Il titolo è liberamente ispirato, Bella di notte è comunque un fiore notturno, ma non è una petunia.

 

Bonus

Intrecci sensoriali

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Naso e orecchio uniti, note che si ascoltano e si annusano. L’analogia tra lo spartito musicale e l’accordo di note fragranti è stato proposto e rivisto nel tempo più volte, e nel 1857 il profumiere G.W. Piesse imaginava ci potesse essere un legame percettivo tra olfatto e udito. Rimane ancora oggi una suggestione interessante e diversi artisti contemporanei vi si sono infatti dedicati componendo opere sonore ispirate ai profumi e viceversa.

Mi viene subito in mente Marie-Anouch Sarkissian, pianista, compositrice di melodie e di odori e coordinatrice di Parfum-musique presso l’associazione Arts d’Essence a Etoy, in Svizzera. L’ho conosciuta lo scorso anno durante un simposio olfattivo alla Sorbona e non saprei dire se il suo intervento fu più un’invito olfattivo alla musica classica o viceversa. Di sicuro stimolante. Conservo ancora le mouillette con i profumi ispirati ai brani musicali che intanto ci faceva ascoltare, e in testa il ricordo delle musiche composte sulla scia di un profumo. Nel suo universo creativo c’è la riflessione sul rapporto tra percezione sensoriale e spinta creativa concepita come il frutto di un evento sinestesico. In effetti se vogliamo, l’ispirazione artistica ha un po’ questa peculiarità, prende le informazioni che ci arrivano attraverso i sensi e le unisce operando un’attribuzione di senso nuova. E lì che avviene secondo me il ‘salto’, l’esperienza sensoriale viene proiettata in un nuovo contesto interpretativo che a sua volta influisce sulla nostra comprensione della realtà e paradossalmente ci fornisce una nuova sensibilità.

Lasciando il piano estetico e andando a guardare quello biologico, ci sono pure fatti interessanti. I sensi ci permettono di esplorare il mondo esterno e ricevere informazioni importanti per la sopravvivenza e le relazioni sociali. Questo è evidente negli animali che reagiscono rapidamente a potenziali pericoli come l’odore di un predatore, la vista di un intruso, un fragore improvviso. In questi casi vengono messi in atto comportamenti, spesso stereotipati, di fuga o attacco, per permettere all’animale di salvarsi la pelle. Nell’uomo il riflesso di trasalimento, in risposta a uno stimolo inaspettato ne è pure un esempio.

Un meccanismo secondo gli studiosi utile per ottimizzare e rendere ancora più rapida la risposta a determinati stimoli, sarebbe nella multisesorialità di alcuni sistemi. Ossia alcuni neuroni in una specifica corteccia sensoriale risponderebbero anche a stimoli provenienti da un’altro sistema sensoriale: ad esempio una parte della corteccia olfattiva risponde anche ai suoni. Perché mai? Le ipotesi sono ancora diverse e gli scienziati non hanno ancora capito la funzione e il meccanismo di questo fenomeno, ma una possibilità sarebbe appunto permettere all’animale di reagire in modo più efficiente a rapido a determinati stimoli: se per strada sento il clacson di un auto magari mi spavento e mi fermo un attimo a capire che succede. Se però sento il clacson e in più vedo un’auto che mi si avvicina a tutta birra mi sposterò subito per non essere investito.

Daniel Wesson e Donald Wilson nel 2013 hanno pubblicato sulla rivista scientifica Journal of neuroscience uno studio, sui topi, in cui si vede che una specifica area corticale, il tubercolo olfattivo, risponde a stimoli odorosi, come ci si aspettava dal momento che riceve informazioni direttamente dal bulbo olfattivo e dalla corteccia piriforme. Il 19% dei neuroni di cui è stata registrata l’attività rispondeva però anche a stimoli acustici, e il 29% dei neuroni testati mostrava gli effetti dell’interazione dei due tipi di stimolo, odore e suono, suggerendo una cross-modulazione tra i due sistemi. Questa è una delle prime evidenze che il tubercolo olfattivo, regione cerebrale poco studiata, sia coinvolto direttamente in funzioni multisensoriali. Come gli input sonori arrivino al tubercolo ancora non è noto. E’ possibile che seguano vie associative attraverso l’ippocampo e il pallido ventrale, che hanno connssioni dirette con il tubercolo olfattivo. Rimane comunque interessante il dato sperimentale, ora bisogna capirne meglio meccanismo e funzione.

 

Bonus

Anche quest’anno andrò a mettere il naso a Esxence, fiera di profumeria artistica che si svolgerà a Milano dal 26 al 29 marzo. Quest’anno il tema è proprio la relazione tra musica e profumo e per l’occasione venerdì 27 marzo alle 18.30 ci sarà un laboratorio musicolfattivo con il pianista e creatore di fragranze Laurent Assoulen.

Ci sono poi altri due appuntamenti da segnarsi:

  • Giovedì 26 alle 16.00, il focus sulla storia della profumeria di Ermano Picco de La gardenia nell’occhiello
  • Per annusare delle vere rarità del passato ci sarà il corner dell’Osmotheque direttamente da Parigi
  • Sabato 28 alle 17.00, Giovanna Zucconi presenterà il suo libro La sua voce è profumo, ‘una passeggiata olfattiva’ tra i capolavori della letteratura…

Che fiuto!

Quanti odori sappiamo distinguere?

 

parte4 (28)-700x© Michele dell’Utri, Esxence 2014, La Triennale Milano

La scorsa settimana, mentre mi immergevo in un tripudio di odori – ero a Esxence, evento di profumeria artistica – venivano pubblicati, manco a dirlo, i risultati di uno studio sulla “sensibilità” dell’olfatto umano. Quanti sono gli odori che una persona comune può distinguere? Questa era una delle tante domande che mi facevo mentre le mie narici saltavano da una mouillette all’altra. Certo, mi chidevo anche quanto possa essere fino l’olfatto di un “naso”, cioè di una persona che ha costruito il proprio universo creativo attorno agli odori e che è allenata e preparata a riconoscere e distinguere i profumi (non scordiamoci che l’apprendimento in questo caso è importantissimo e l’olfatto diventa tanto più acuto quanto più lo si allena). Ma, appurato che un “naso” in termini di abilità olfattive è un supereroe rispetto a un comune individuo, in media, uno quanti odori può distinguere?
Fino a oggi le stime ci suggerivano una cifra intorno ai 10.000 odori. Mica male direte, ma secondo lo studio appena pubblicato sulla rivista scientifica Science dai ricercatori della Rockefeller Univeristy di New York siamo ben oltre: 1 trilione. Come minimo.
Come si fa a stabilire quanti stimoli riusciamo a discriminare? Innanizitutto bisogna avere un’idea dell’ordine di grandezza, ossia avere una stima dello spettro a disposizione: qual è lo stimolo minimo percepibile? E quello massimo? Che poi, minimo e massimo di cosa? Intensità? Ampiezza? Frequenza?
Nel caso di vista e udito, e non è stata una bazzecola, alla fine si è capito: i colori che l’occhio umano può percepire, quelli detti appunto dello “spettro visibile”, hanno lunghezze d’onda comprese tra i 390 e i 700 nm, lo spettro cioè compreso tra gli infrarossi e gli ultravioletti; nel caso dell’udito siamo in frequenze comprese tra i 20 e i 20.000 Hz. E gli odori? Intanto qui c’è un primo problema perché ancora non è chiaro come classificare gli odori e in base a cosa “misurarli”. Per stabilire un range di sensibilità bisogna come minimo sapere cosa misurare. Il problema con le molecole chimiche, che costituiscono un odore, è che questa classificazione non è semplice e non c’è uno “spettro continuo” che ci permette di muoverci, e orientarci, gradualmente da un odore all’altro. Con le frequenze acustiche, per esempio, possiamo seguire un metro immaginario lungo cui si trovano in crescendo tutte le frequenze dalla più bassa alla più alta: scorrendolo sapremo che aumentando la frequenza il suono diverrà man mano più acuto. In modo simile, ma con le lunghezze d’onda, abbiamo una corrispondenza tra una specifica lunghezza d’onda e un colore, e la transizione da una sfumatura all’altra avviene secondo un continuum. Nel caso dell’olfatto non è possibile rifarsi a uno schema di questo tipo perché procede a salti: molecole molto simili, addirittura due enantiomeri della stessa molecola, possono dare due odori completamente diversi, pensate a (R)-(+)- carvone (semi di cumino) e (S)-(-)-carvone (menta). Inoltre, gli stimoli olfattivi sono quasi sempre un mix di odori con diverse componenti e caratteristiche.

 

F3.large.modCredit: Bushid C. et Al., Science, 2014

Per i sitemi visivo e uditivo, i ricercatori hanno potuto stimare che l’uomo è in grado di distingure, rispettivamente, tra i 2.3 e i 7.5 milioni di colori, e circa 340.000 suoni (toni più precisamente). Per fare questo calcolo con l’olfatto serviva una strategia diversa, con qualche calcolo in più e dei modelli matematici.
Le stime più accurate disponibili ad oggi si rifacevano principalmente a uno studio del 1927: si presero in considerazione quattro sensazioni olfattive-base per le quali l’uomo fosse in grado con sufficiente affidabilità di distinguere tutte le proprietà e valutarle in una scala di nove punti. Fu così stimato il numero di possibili sensazioni olfattive: 94, ossia 6561, successivamente arrotondato, in seguito a ulteriori studi, a 10.000 odori.
Si trattava di un valore approssimativo, ecco perché i ricercatori del Rockefeller hanno pensato questa volta di affinare la tecnica: hanno valutato la capacità distinguere alcuni mix di odori, diversi per un numero fissato di componenti, e fino a che punto potevano essere distinti l’uno dall’altro.
Per lo studio sono stati presi in esame 128 odori, già testati per essere in grado di contribuire al mix finale nella stessa proporzione: nessun odore, quindi, prevalicava sugli altri. A partire da questi sono stati creati tre mix, sempre più complessi: 10, 20, e 30 odori. Ne hanno poi create diverse “gradazioni” in base alla percentuale di sovrapposizione, ossia di odori in comune. Gli odori sono stati combinati in modo da essere nello stesso rapporto e permettere di calcolare il numero esatto di combinazioni possibili, cioè 128 odori possono essere combinati in modo da ottenere:
– 2.27 x 1014 mix di 10 odori
– 1.20 x 1023 mix di 20 odori
– 1.54 x 1029 mix di 30 odori
In ogni serie la differenza tra i singoli mix era solo il numero di odori in comune con gli altri. Nei test le persone (26 soggetti + 2 esclusi dall’analisi) dovevano discriminare, per esempio, tra 3 mix di 10 odori: due erano identici mentre il terzo poteva essere uguale al 30% al 60% al 90%. Ovviamente più due mix sono simili tra loro più è difficile distinguerli. È in questo modo che si misura la “risoluzione” del senso dell’olfatto.
Circa la metà dei soggetti è stata in grado di discriminare mix simili fino al 75%, alcuni anche tra il 75% e il 90%, nessuno è stato capace di discriminare due mix simili al 90%. Analizzando anche la capacità di discriminare singoli composti, per escludere bias dovuti alle interazioni degli odori nei mix, la capacità di discriminare gli odori è risultata al 54%. Facendo analisi più accurate alla fine i ricercatori sono giunti al seguente risultato: nella maggiorparte dei casi i soggetti erano in grado di distinguere due mix sovrapposti al 51.17%. Tradotto, l’umano medio è in grado di distinguere almeno 1 trilione di mix di 30 odori. Mai sottovalutarsi.

L’odore dei sogni

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L’ambiguo cattura la nostra attenzione perché non è nitido e immediato. Pensate a un’opera d’arte, o a teatro: il gesto che cattura davvero ci proietta in una nuova dimensione, o ci permette di proiettavi la nostra, e lo fa perché non è una piatta replica della realtà, ma qualcosa che vi si avvicina, ha quel non so ché… sfuggente, terrifico, intrigante come i sogni, e gli odori. Sogni e odori sono entrambi effimeri, evocativi eppure così fisici nelle sensazioni che ci provocano: stiamo “solo” sognando, ma gioiamo, ci spaventiamo, sentiamo un groppo alla gola e il bisogno di urlare – ci svegliamo urlando, o ridendo –  rimaniamo solleticati da eventi surrealmente veri. Così come quando annusiamo qualcosa e una macchina esperienzale parte incontrollabile, magari non siamo capaci di descrivere quella sensazione, ma ci siamo immersi, completamente avvinti.

E gli odori possono influenzare sonno e sogni? Quando dormiamo il nostro naso russa solamente o è anche in grado di percepire gli odori?  E come reagisce il nostro cervello agli stimoli odorosi durante il sonno? Abbiamo più o meno tutti fatto l’esperienza di svegliarci improvvisamente a causa di un rumore o una luce accesa a sproposito, ma succede anche con puzze e profumi?
Intanto partiamo da una considerazione importante: nel sistema olfattivo le connessioni nervose tra i recettori olfattivi e il cervello seguono una via diversa da quella degli altri sensi perché saltano la stazione talamica e vanno dritte alla zona limbica e alla corteccia olfattiva. Più precisamente passano dal bulbo olfattivo alla corteccia olfattiva primaria e all’amigdala e da qui subito a ipotalamo e corteccia orbitofrontale. Tenete a mente.

Cosa succede quando dormiamo

Dalle evidenze sperimentali raccolte finora sappiamo che il sonno oltre a essere fondamentale per la sopravvivenza svolge un ruolo importante nel consolidamento della memoria. Mentre dormiamo in realtà il cervello è tutt’altro che in standby, continua a lavorare riattivando i circuiti nervosi legati alle cose appena apprese, una sorta di riverbero che serve al consolidamento delle informazioni. L’attività del cervello può essere monitorata e questo ha permesso di osservare l’alternarsi di diverse fasi del sonno che corrispondono a un diverso “stato” riconoscibile dal tipo di onde cerebrali prodotte. Le fasi di sonno profondo sono accompagnate da onde “lente”, a bassa frequenza, questa fase è chiamata anche Non-REM. La fase REM invece, quella durante la quale di solito sogniamo, è associata a onde rapide e a un caratteristico movimento riflesso dei bulbi oculari (da cui REM = rapid eye movement).
I ricercatori hanno condotto diverse ricerche per capire come funziona l’elaborazione delle percezioni sensoriali durante il sonno e proprio l’olfatto è per questo tipo di studi il senso più indicato. Perché?

Sonno e olfatto

Quando dormiamo nella quasi totalità dei casi un odore non è sufficiente a svegliarci. Non è come la sgommata in macchina del tamarro di passaggio che inesorabilmente interrompe il nostro sonno, di solito un odore anche se piuttosto intenso non è sufficiente a destarci. Quando succede è perché molti odori hanno anche una componente detta trigeminale che, siccome ci procura una sensazione di fastidio dovuta all’attivazione dei recettori per il dolore, ci sveglia. Diversi esperimenti hanno mostrato come la somministrazione di “odori puri”, che non prevedono l’attivazione della via trigeminale, non provocano in quasi nessun caso il risveglio dei soggetti. Uno dei motivi sembra dovuto proprio alla diversa anatomia delle vie olfattive rispetto agli altri sensi: ossia bypassano le stazioni del tronco encefalico e del talamo che sono coinvolte nei meccanismi di ‘risveglio’.
Ciò non significa che gli odori non vengano percepiti mentre dormiamo, anzi…

28OBOX2-articleLargeCredit: Kate Yandell

Siccome possono essere percepiti senza svegliare il soggetto gli stimoli odorosi sono perfetti per studiare come vengono elaborate le percezioni nel cervello durante il sonno. Certo non si tratta di esperimenti facili da controllare perché i volontari sottoposti ai test oltre ad avere un sonno regolare non devono avere nessuna percezione dell’odore prima e dopo la dormita, per evitare condizionamenti e introdurre variabili che influenzerebbero i risultati. Anche perché la percezione e l’attribuzione di un odore sono correlate al grado di consapevolezza che si ha dell’odore stesso e alla sua familiarità.

Il nostro naso fa un’altra cosa interessante mentre dormiamo: in presenza di un odore modifica le proprie sniffate. Il senso dell’olfatto è strettamente associato al respiro perché è durante l’inspirazione che insieme all’aria inaliamo le sostanze odorose. Se ci pensate anche da svegli quando ci concentriamo su un odore o lo vogliamo sentire meglio iniziamo a sniffare più intensamente e aumentiamo il ritmo del respiro. Alcuni esperimenti hanno mostrato che questo avviene anche quando dormiamo: odori classificati come “piacevoli” fanno aumentare la frequenza respiratoria e, viceversa, odori “sgradevoli” la fanno rallentare.

Tenendo conto anche di queste caratteristiche dell’olfatto i ricercatori del gruppo di Noam Sobel un paio di anni fa hanno condotto una serie di esperimenti per capire se fosse possibile indurre un apprendimento condizionato durante il sonno. Avete presente Pavlov e il cane? Diciamo che questa è una rivisitazione dello stesso principio: l’apprendimento di uno stimolo viene associato a un altro. Gli scienziati si sono detti: associamo dei suoni (un tono, sottosoglia per non svegliare il soggetto) a due diversi tipi di odori, piacevoli e sgradevoli, e vediamo se vi é apprendimento oppure no. In altre parole durante il sonno viene somministrato un suono e subito dopo un odore. Dopo un po’ di ripetizioni se abbiamo imparato ad associare un certo suono a un odore, il suono da solo sarà sufficiente a provocare in noi l’attesa dell’odore associato. Come capire se c’è l’attesa di un odore? Dalle sniffate: se mi aspetto un odore piacevole aumenterò la frequenza delle sniffate/respiri, se mi aspetto una puzza rallenterò i respiri come riflesso di sottrazione.  I risultati di questa ricerca, pubblicati su Nature Neuroscience, mostrano che questo è ciò che avveniva. C’è di più, i ricercatori si sono chiesti anche se ci fossero differenze nell’apprendimento durante le varie fasi del sonno e se questo apprendimento fosse conservato una volta svegli (ritenzione). Gli esperimenti hanno mostrato che l’apprendimento avveniva sia durante la fase REM che durante la fase Non-REM, tuttavia la ritenzione dell’informazione era maggiore se l’apprendimento era avvenuto durante la fase Non-REM, cioè di sonno profondo. La cosa sembra controintuitiva ma è consistente con numerose altre evidenze sperimentali che suggeriscono che le fasi di sonno profondo sono più importanti per il consolidamento della memoria. Inoltre studi condotti anche sui ratti mostrano che durante le fasi di sonno profondo (associato alle onde cerebrali lente) la cortecia olfattiva primaria è meno reattiva, mentre è più intensa l’attività delle connessioni tra le altre aree olfattive e la neocorteccia.
Volendoci lanciare in qualche speculazione possiamo notare che questo tipo di apprendimento legato a un tipo di memoria non-dichiarativa, quindi non consapevole, è anche consistente con il fatto che la percezione olfattiva abbia una componente non dichiarativa particolarmente spiccata, cioè ricordiamo un evento associato a un odore ma non riusciamo a spiegarlo a parole o darne una descrizione chiara.

Odori e sogni

E qui torniamo alla domanda iniziale: gli odori quindi entrano nei nostri sogni o no? Parlando in senso generale e anche in senso lato, tutto può diventare materia onirica e in qualche modo influenzare i nostri sogni e il loro contenuto per quanto ancora non siano ben chiari i meccanismi biologici che vi stanno dietro. Questione più sottile è invece capire se mentre dormiamo e non ne siamo coscienti gli odori possanno o meno avere un effetto sul nostro sonno e su ciò che sogniamo.

Alcuni studi hanno cercato di testare l’effetto di alcune essenze, come la lavanda, sul sonno e i risultati suggeriscono che se si dorme in presenza di questi odori la qualità e durata del sonno aumentino. Tuttavia questi studi hanno una statistica purtroppo molto inconsistente e le condizioni in cui sono stati condotti gli esperimenti non erano sempre ben controllate. Inoltre c’è da dire che siamo qui in un campo al confine tra fisiologia e psicologia per cui diventa ancora più difficile testare alcune ipotesi. Certamente l’uso di alcune essenze può darci un senso di benessere che ovviamente si ripercuote sul nostro grado di rilassamento e può quindi farci dormire meglio, ma è un effetto molto soggettivo e mediato anche dalla nostra coscienza e consapevolezza. Tanto per dire su di me la lavanda – che non sopporto – ha tutto fuorché un effetto rilassante…

I sogni dicevamo. C’è in particolare una ricerca che ho trovato interessante e che ha studiato questo problema: gli odori possono influenzare il contenuto dei nostri sogni?  C’era già stato qualche studio pionieristico negli anni ottanta ma il problema anche in questo caso, come dicevo, sono le condizioni sperimentali. Se vogliamo capire cosa avviene nel cervello che dorme (stato inconsapevole) durante la percezione di un odore e se questo in qualche modo influenza il sonno a prescindere dalla nostre possibili suggestioni e consapevolezza dobbiamo appunto essere sicuri di non avere coscienza dell’odore usato. Questo è per esempio e uno dei punti deboli delle precedenti ricerche.

In questo studio, condotto presso il centro per i disturbi del sonno del dipartimento di otorinolaringoiatria e chirurgia di Mannheim (Germania), i soggetti coinvolti nello studio sono stati monitorati con moderne apparecchiature e in un ambiente controllato per escludere il più possibile variabili e interferenze. I partecipanti hanno prima fatto tutti i test di rito per verificare la normosmia, ossia che il loro naso e olfatto funzionassero in modo normale, test per la soglia di percezione, di discriminazione e identificazione degli odori. Durante il sonno l’attività fisiologica è stata monitorata con polisomnogramma, elettroencefalogramma, elettro-oculogramma e elettromiogramma di entrambe le gambe, tradotto: hanno registrato l’attività e i movimenti di cervello, occhi e muscoli delle gambe. Per la somministrazione degli odori hanno usato un olfattometro che rilasciava gli odori in un flusso d’aria calibrato in modo da non interferire con il respiro e non alterare le condizioni meccaniche e termiche della mucosa nasale. Per specifici set di esperimenti legati all’impatto qualitativo degli odori (piacevole/sgradevole) sono stati usati:

–         H2S: sa di uova marce, generalmente non molto apprezzato, in 4 parti per milione

–         Phenil ethyl alcohol: sa di rosa, di solito ritenuto più piacevole, al 20%

–         Controllo inodore.

Fig2_Sleeping_with_odors-300x197Credit: Franziska Benedict

I partecipanti svegliati durante la fase REM dovevano descrivere ciò che stavano sognando e rispondere a una serie precisa di domande legate al sogno che stavano facendo e alle sue caratteristiche (non so se sarei stata in grado 😀 ). I risultati? Dall’analisi di tutti i dati è emerso che i soggetti non avevano incorporato gli odori, cioè non avevano sognato nulla che fosse direttamente e esplicitamente riconducibile a un odore. Però era statisticamente significativa rispetto al controllo l’attribuzione emozionale associata al sogno e correlata con l’odore. Insomma quando ai partecipanti durante il sonno veniva dato un stimolo puzzolente (leggi sgradevole/spiacevole) il contenuto emozionale dei loro sogni era significativamente più negativo rispetto al gruppo di controllo. Viceversa, quando veniva dato uno stimolo piacevole le emozioni piacevoli durante il sogno erano maggiori rispetto al gruppo di controllo in modo significativo. Sì siete saltati sulla sedia, anch’io.

Certo bisogna andarci cauti con le conclusioni ma questo dato suggerisce che gli odori durante il sonno non vengono incorporati dirattamente nei sogni, ma influenzano le emozioni provate in sogno. Secondo gli scienziati questo è dovuto principalmente al fatto che le connessioni anatomiche del senso dell’olfatto vanno direttamente all’amigdala che è appunto specializzata nell’elaborazione delle emozioni. Come da svegli abbiamo bisogno di un po’ più di training e concentrazione per trovare le parole giuste per un odore o un ricordo olfattivo rispetto a quanto faremmo con un altro tipo di stimolo, così anche dormendo l’olfatto influenza prima il nostro stato emozionale, la ragione arriva dopo.

Per approfondire:

–          Humans can learn new information during sleep,  Anat Arzi, Limor Shedlesky, Mor Ben-Shaul, Khitam Nasser, Arie Oksenberg, Ilana S Hairston & Noam Sobel; 2012, Nature Neuroscience, doi:10.1038/nn.3193

–          The Influence of Odorants on Respiratory Patterns in Sleep, Anat Arzi, Lee Sela, Amit Green, Gili Givaty, Yaron Dagan and Noam Sobel; 2010, Chem. Senses 35: 31–40, doi:10.1093/chemse/bjp079

–          Minimal Olfactory Perception During Sleep: Why Odor Alarms Will Not Work forHumans, Mary A. Carskadon, PhD1; Rachel S. Herz; 2004, SLEEP, Vol. 27, No. 3

–         Information processing during sleep: the effect of olfactory stimuli on dream content and dream emotions, Michael Schredl, Desislava Atanasova, Karl

Con quell’odore un po’ così

Feromoni, un mondo animale…

30-David-Lazar-Lion-Teeth© 2014 David Lazar

Immaginate un bel maschio in cerca di consorte, a un certo punto finalmente trova una femmina compiacente e fa ciò che tutti gli animali fanno dalla notte dei tempi. Ora pensate invece alla femmina: è l’inizio della gravidanza ma succede che il partner si è allontanato, nei paraggi capita un altro maschio che subito mostra interesse e però si sa come vanno queste cose se poi lui rimane e si trova i figli di un altro… Che fare? Taaack! Aborto spontaneo (sai mai che quello poi se li mangi i pargoli).

Sconcertati? Di fatto questo è un piccolo estratto della vita sessuale di un topo e un esempio di come agiscono i feromoni.

In numerose specie animali buona parte della vita sociale e riproduttiva avviene seguendo comportamenti stereotipati regolati da molecole che veicolano informazioni sullo status dell’animale o dell’ambiente circostante: presenza di un predatore-allarme; presenza di un partner disponibile-accoppiamento; cure parentali; ecc. Il termine feromone deriva dal greco pherein (trasferire, portare) e hormon (eccitare, stimolare) e fu coniato nel 1959 dai ricercatori P. Karlson e M.Luscher:

Pheromones are defined as substances which are secreted to the outside by an individual and received by a second individual of the same species, in which they release a specific reaction, for example, a definite behavior or a developmental process (P.Karlson & M.Luscher, Nature, 1959).

All’epoca Adolf Butenandt aveva appena isolato il primo feromone: il bombicolo, feromone sessuale del baco da seta Bombyx mori, da cui appunto il nome (per stare in tema gli studi invece sugli ormoni sessuali avevano già valso a Butenandt il Nobel per la chimica nel 1939). La scoperta provocò molto fermento perché era la prima prova diretta di una forma di comunicazione chimica fra gli animali. L’idea che esistesse c’era già, ma passare dalle ipotesi e alcune evidenze etologiche alle prove stringenti è un’altra cosa: si apriva così tutto un nuovo ambito di ricerca.

1000px-Bombykol.svg  Molecola di bombicolo

PairedmothsCoppia di falene (Credit: wikipedia)

I feromoni fanno parte della famiglia dei semiocomposti (semiochemicals), composti chimici che mediano la comunicazione animale a diversi livelli e anche tra specie diverse. La caratteristica specifica dei feromoni è di essere molecole, anche inodori, rilasciate da un individuo e in grado di indurre in altri individui della stessa specie una risposta comportamentale innata, che cioè non deve essere appresa: reazioni di attacco o di fuga, di accoppiamento, di cure parentali fanno parte di un repertorio comportamentale che l’animale già possiede alla nascita e che viene “scatenato” da un messaggio chimico (il feromone appunto).

Come sono classificati i feromoni?

Classicamente i feromoni sono distinti in base alla loro funzione e all’effetto che provocano sull’animale “ricevente”:

Releaser sono le sostanze che scatenano una risposta comportamentale immediata. Per esempio l’istinto di suzione nei piccoli conigli è scatenato dal 2-metilbut-2-enale presente nel latte di mamma coniglia.

Primer sono invece molecole che agiscono sullo stato ormonale dell’animale ricevente o influenzano il suo sviluppo. Nell’urina dei topi maschio per esempio sono presenti diverse sostanze derivate dal testosterone che possono influenzare i livelli ormonali delle femmine: il α-farnesene, per citarne uno, agisce accelerando la pubertà delle femmine (Vanderbergh-effect, Vanderbergh 1969; Drickamer 1987; Mucinatt-Ceretta 1995).

A queste due categorie ne sono state aggiunte altre che includono sostanze in realtà attive anche in modo interspecifico, cioè tra specie diverse, e che hanno principalmente un ruolo di riconoscimento con innesco di reazioni di fuga o attacco: queste sostanze vengono infatti chiamate  “di allarme e rintracciamento”. Un classico esempio è la feniletilamina presente nella pipì di puma e altri felini: provoca un’immediata risposta di panico nel topo.

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Come dicevo un feromone è una molecola che induce una risposta stereotipata e innata nell’animale ricevente. Di fatto però la comunicazione tra gli animali è un po’ più complicata e di solito a determinare la specificità di un’azione è il contesto e il mix di sostanze che viene rilasciato. Questo bouquet di molecole caratterizza il singolo individuo e permette per esempio a ogni membro della specie di riconoscere i membri del proprio clan distinguendoli dagli estranei e agire di conseguenza. Poi, sostanze specifiche (che possiamo definire feromoni in senso stretto) agiscono in modo più mirato.
Le molecole del complesso di immunoistocompatibilità (MHC) contribuiscono a determinare l’impronta individuale facendo sì che ognuno (anche noi) abbia un proprio odore caratteristico e riconoscibile. In base a questo per esempio le femmine possono distinguere il proprio compagno dagli estranei (evitandosi aborti spontanei), e i propri cuccioli, viceversa, i piccoli imparano a riconoscere l’odore della madre e del nido. L’odore caratteristico è principalmente appreso, mentre la risposta metabolica e ormonale è innata.

Digressione sulla pipì di topo

L’urina in molte specie animali è uno dei mezzi prediletti per comunicare. In effetti se ci pensate è un sistema piuttosto pratico: la pipì tanto bisogna farla comunque e per giunta è facile da spargere in giro e vi si possono diluire diversi tipi di sostanze, quindi perché non ottimizzare: le molecole più volatili e odorose, per una comunicazione a distanza che segna subito la presenza dell’individuo; molecole meno volatili e che richiedono un contatto diretto per chi vuole diciamo  approfondire la conoscenza…
Nell’urina sono presenti un complesso di proteine, chiamate major protein urins (MUPs), con diverse funzioni sociali. Queste sostanze rappresentano circa il 99% del contenuto proteico della pipì del topo e nei maschi sono presenti in concentrazione cinque volte maggiore che nelle femmine; difatti delimitano il territorio e rendono le femmine più disponibili. Queste proteine hanno numerose varianti individuali e contribuiscono a creare l’”impronta personale”, inoltre, molte di esse essendo derivate dal testosterone sono presenti solo nella pipì dei maschi.

I principali effetti dei feromoni urinari descritti nel topo (ma presenti anche in altri mammiferi) sono:

      Effetto Vanderbergh: già accennato, l’urina dei topi maschi accelera la comparsa della pubertà nelle femmine. Molecole responsabili:

  • 2-Sec-butyl-4,5-dihydrothiazole (BT)
  • 2,3-Dehydro-exobrevicomin(DB)
  • α- and β-Farnesene
  • Major urinary proteins (MUPs)

       Effetto Whitten: le femmine in cui c’è stata soppressione del ciclo estrale quando sono esposte all’urina del topo maschio riprendono la ciclicità sincronizzando i calori. Molecole responsabili:

  • 2-Sec-butyl-4,5-dihydrothiazole (BT)
  • 2,3-Dehydro-exobrevicomin(DB)

      Effetto Lee-Boot: La coabitazione di sole femmine adulte provoca la soppressione del ciclo estrale. Molecole responsabili:

  • 2,5-Dimethyl pyrazine
  • α- and β-Farnesene
  • n-pentyl acetate

         Effetto Bruce: Se una femmina appena fecondata viene esposta all’urina di un maschio estraneo nelle prime ore dopo l’accoppiamento, l’impianto in utero non avviene (ricordate?). Molecole responsabili:

  • Peptidi della Classe I del MHC (complesso di immuno-istocompatibilità): SYFPEITHE e AAPDNRETF (ehm no queste non sono parolacce in cirillico, ma la loro sigla 😀 )

 

L’organo vomeronasale

Il sistema olfattivo della maggior parte degli animali presenta strutture distinte specializzate alla ricezione di odori e feromoni. L’epitelio olfattivo nel naso e il bulbo olfattivo nel cervello servono alla ricezione e elaborazione degli odori. La percezione dei feromoni avviene invece grazie ad alcuni organi olfattivi accessori:

– Ganglio di grueneberg (GG)

Septal organ of Masera (SOM; abbiate pazienza ma la traduzione italiana “organo settale” non si può sentire)

– Organo vomeronasale o di Jacobson (VNO)

Zufall2006nature05404-f1.2Schema degli organi olfattivi nei roditori (Brennan&Zufall, Nature, 2006)

Il principale di questi ultimi e il meglio studiato è l’organo vomeronasale, una struttura tubulare situata alla base della cavità nasale alla quale è collegata da un dotto. L’organo presenta una struttura muscolare che agisce come una pompa aspirando le sostanze dalla cavità nasale e portandole così in contatto con la sua parte sensoriale. Qui i neuroni vomeronasali vengono attivati dai feromoni in modo analogo a quanto fanno gli odori con i neuroni olfattivi nel naso. Dall’organo vomeronasale le terminazioni nervose vanno in una zona specializzata del bulbo olfattivo chiamata bulbo olfattivo accessorio (AOB).
L’organo vomeronasale, chiamato anche di Jacobson dal nome del suo scopritore (1813), si pensava inizialmente fosse l’unica struttura dedicata alla ricezione dei feromoni. In realtà si è scoperto che diverse molecole odorose possono essere riconosciute anche dai neuroni vomeronasali, mentre alcuni neuroni olfattivi esprimono recettori che sono in grado di riconoscere anche molecole che agiscono come feromoni questa loro funzione non è però del tutto chiara. Evolutivamente si pensa che l’organo vomeronasale si sia sviluppato successivamente, durante il passaggio alla vita terrestre, e quindi abbia raggiunto la sua specializzazione come adattamento successivo.

E l’uomo?

Nell’uomo l’organo vomeronasale è vestigiale, ossia se ne trova un residuo evolutivo durante le prime fasi dello sviluppo embrionale,  poi basta. Ad oggi non ci sono evidenze anatomiche e funzionali della sua presenza e geni cruciali per la codifica dei feromoni (quelli che codificano per i canali TRPC2) nell’uomo sono pseudogeni, ossia non funzionano. Si pensa che la funzionalità dell’organo si sia persa circa 23 milioni di anni fa, quando gli ominidi si separarono dai cercopitechi (Old world monkeys).

Cercopithecus_ascaniusCercopiteco nasobianco (Cercopithecus ascanius)

Certo resta la possibilità che nell’uomo siano alcuni recettori nel naso a recepire anche i feromoni, e si è molto dibattuto del fatto che questi possano influenzare a qualche livello alcune interazioni umane. Al momento però non ci sono prove scientifiche sufficientemente solide e chiare da poter affermare che nell’uomo ci sia una qualche comunicazione “subliminale” mediata dai feromoni. Anche perché vi sarete fatti un po’ un’idea di come agiscono… Nell’uomo il sistema sociale e relazionale è molto più complesso e le componenti culturali e di apprendimento hanno sicuramente un ruolo più importante che negli altri animali.
Attualmente il candidato principale a “feromone” umano è l’androstadienone presente nel sudore ascellare degli uomini. È stata osservata anche una correlazione tra estratti di sudore ascellare maschile e alcune fluttuazioni dei livelli ormonali nelle donne (aumento del rilascio dell’ormone luteinizzante), ma appunto una correlazione non va confusa con un rapporto di causa-effetto. Esiste inoltre una serie di esperimenti (e diverse serie di magliette sudate) che indica come le preferenze “a naso” siano influenzate anche dal fattore di immunoistocompatibilità (MHC). Cioè annusando l’odore di due persone tenderò a preferire quello di chi ha un MHC più diverso rispetto al mio.

Insomma di studi in corso ce ne sono molti per cercare di chiarire la faccenda (e meriterà una trattazione a parte) e certo nel frattempo può avere un suo fascino crogiolarsi nell’idea che uno speed-date fatto annusando magliette usate (sì lo fanno davvero) possa far incontrare la persona “dall’odore giusto”, ma poi questa persona siccome non è un topo inizierà a parlare e… (in bocca al lupo).

Parlando di olfatto

Una bella chiacchierata con gli amici di TerraUomoCielo sull’olfatto e come funziona

L’olfatto ci permette di sentire puzze e profumi, ma anche di assaporare cibi e bevande. Il sapore di un buon arrosto, di una bella pizza farcita, di un bignè alla crema Chantilly, l’aroma di un buon vino rosso non sarebbero gli stessi senza il nostro naso. E’ vero il gusto gioca un ruolo importante ma ciò che definiamo “aroma” o “flavor” è in realtà il risultato della combinazione di gusto e olfatto. Quando mastichiamo un cibo o beviamo del vino le molecole che li costituiscono sprigionano i loro odori che raggiungono il nostro naso passando per la cavità, chiamata appunto “retronasale”, che collega naso e bocca. In questo modo le pietanze ci regalano tutto il loro “gusto” che è in realtà una percezione in buona parte olfattiva (motivo per il quale per esempio quando siamo raffreddati non sentiamo il sapore dei cibi).

Ecco perché l’olfatto è tanto importante anche i per i cultori del gusto e, ovviamente, gli amanti del vino. Da questo incrocio di interessi è nato il mio incontro con Stefania Pompele del gruppo di cultura enoica TerraUomoCielo. E ne è uscita una bella chiacchierata sull’olfatto appena pubblicata sul loro sito. Buona lettura 🙂