Sui recettori olfattivi e come gli odori arrivano al cervello

La via che collega un odore ai nostri centri di elaborazione, cioè la corteccia cerebrale, è piuttosto diretta, dal respiro alle emozioni. Possiamo pensare al nostro naso come a un portale un po’ magico, come lo specchio di Alice ci porta in un’altra dimensione, quella degli odori. Il naso è una finestra sul mondo, poiché ci mette direttamente a contatto con l’ambiente esterno. Un contatto piuttosto intimo, perché gli odori si legano direttamente ai nostri neuroni olfattivi. Vediamo come.

Le tappe anatomiche di un segnale odoroso schematizzando barbaramente sono: naso – cervello. Più precisamente, abbiamo tre stazioni principali:

• Prima stazione: epitelio olfattivo, nel naso
• Seconda stazione: bulbo olfattivo, nel cervello
• Terza stazione: corteccia olfattiva (cognizione), ippocampo (memoria), amigdala (emozioni), nel cervello

1. Epitelio olfattivo. 2. Bulbo olfattivo. 3. Corteccia olfattiva. 4. talamo. 5. Corteccia orbitofrontale. Credits: Sela and Sobel, 2010.

L’olfatto, come sappiamo, è un senso chimico, cioè lo stimolo odoroso è fatto di molecole chimiche che, attraverso l’aria che respiriamo, raggiungono i recettori olfattivi. Su cosa siano questi recettori c’è ogni tanto un po’ di confusione perché si parla spesso, anche tra scienziati di questo campo, di “recettori olfattivi” per riferirsi sia ai recettori veri e propri sia ai neuroni olfattivi, ma non sono esattamente la stessa cosa. Però, se uno non lo sa, la cosa può in effetti confondere.

I recettori olfattivi propriamente detti sono proteine specializzate presenti sulle cellule dell’olfatto, che sono chiamate neuroni olfattivi (sì sono neuroni!). Tuttavia, siccome di fatto il neurone olfattivo trasmette l’informazione odorosa al cervello ed è il primo a ricevere lo stimolo, molti lo chiamano impropriamente “recettore” in senso lato.

I neuroni olfattivi formano, insieme ad altri tipi di cellule di supporto e ghiandole, buona parte dell’epitelio olfattivo, posizionato sul fondo delle fosse nasali. Potete immaginarlo collocato più o meno alla radice del naso, all’altezza degli occhi.

I neuroni olfattivi hanno un corpo principale, più o meno a forma di pera, dalla cui testa si allunga un bottoncino da cui sporgono alcune ciglia. Queste sono esposte all’esterno e sono coperte da uno strato di muco in cui le molecole odorose devono disperdersi per raggiungere i recettori. Dall’altro lato della pera si allunga invece un prolungamento chiamato assone che, come un cavo, si dipana fino al cervello e finisce nel bulbo olfattivo. L’insieme di questi cavi, provenienti dai diversi neuroni olfattivi formano il nervo olfattivo, che è il I nervo cranico e porta l’informazione dal naso al cervello.

Sezione di epitelio olfattivo.

Ciglia di neuroni olfattivi viste dall’alto.

Recettori come lego

Quando un odore si insinua nelle nostre narici, le molecole che lo formano si legano quindi a specifici recettori presenti sulle ciglia dei neuroni olfattivi (come avvenga esattamente questa interazione a livello molecolare non è ancora del tutto chiaro).

Gli esseri umani hanno circa 10 milioni di neuroni olfattivi (si trovano in letteratura stime che vanno dai 6 ai 12 milioni per la verità) e ognuno di loro possiede un solo tipo di recettore. La parte di genoma dedicata ai recettori olfattivi è enorme: nell’uomo ci sono circa 400 geni che codificano per questi recettori (nel topo sono circa 1200). Cioè quei 10 milioni di neuroni sono divisi in circa 400 tipi diversi a seconda del recettore che esprimono (senza parlare delle ulteriori varianti alleliche). Alcuni di questi recettori sono molto specifici e riconoscono solo poche molecole, altri invece sono a spettro un po’ più ampio.

Al momento il meccanismo più supportato da prove scientifiche per l’interazione tra molecola di odore e recettore è quella “chiave-serratura” e funziona cioè un po’ a incastro come i mattoncini lego. Questa interazione e riconoscimento avviene secondo un codice combinatorio: ogni neurone olfattivo esprime un solo tipo di recettore che può però riconoscere una o più molecole con diversa affinità. Cioè alcune chiavi sono molto specifiche, mentre altre sono un po’ più simili a dei passepartout. Ogni odore è composto quasi sempre da molte molecole diverse, e ognuna di esse si legherà a diversi recettori; dalla combinazione finale, un po’ come un codice a barre, si avrà l’identità dell’odore; chi fa la decodifica del codice a barre è il cervello.

Il bulbo olfattivo è come un centralino

Quando il recettore si lega alla molecola odorosa il neurone manda attraverso il proprio assone-cavo un segnale al bulbo olfattivo, prima stazione di decodifica, che potremmo immaginare un po’ come l’insieme tra un centralino e un ripetitore: riceve e smista i segnali provenienti dell’epitelio olfattivo e, dopo una prima rielaborazione, li rimanda ai piani alti del cervello, la corteccia olfattiva.

Il bulbo è organizzato in unità funzionali chiamate glomeruli, dove il primo passaggio di informazione dal naso al cervello avviene attraverso le sinapsi tra le terminazioni dei neuroni olfattivi e quelle di altri neuroni (cellule mitrali – Mitral and Tufted cells più precisamente) che a loro volta trasmettono il segnale alla corteccia. Ogni glomerulo riceve i segnali provenienti dai neuroni olfattivi con lo stesso tipo di recettore. Per esempio, tutti i neuroni che esprimono il recettore M71 mandano le loro terminazioni nervose alle stesse due coppie di glomeruli (ci sono mediamente due glomeruli per bulbo, destro e sinistro, per recettore).

Su come gli odori sono mappati nel bulbo olfattivo

Si è cercato per molto tempo di capire se dalla disposizione spaziale dei glomeruli nel bulbo olfattivo fosse possibile ottenere una “mappa” degli odori: se ogni glomerulo corrisponde a un recettore specifico che si lega a specifiche molecole, significa che nel bulbo si potrebbe (ipotesi) trovare una “mappa chimica” (chemotopica) degli odori in modo analogo a ciò che avviene per gli altri sensi. Ci aspetteremmo cioè di trovare aree specializzate al riconoscimento di ciascuna classe chimica o quasi, per esempio una zona per le aldeidi, una per i chetoni e via dicendo. Le cose però stanno in modo un po’ diverso.

Più che una mappa precisa quella che si ottiene dall’analisi delle risposte dei glomeruli a diverse sostanze odorose è un’organizzazione in macroaree che riflette la classe di recettori olfattivi dai quali ricevono i segnali. I recettori olfattivi sono divisi in due classi: I e II, localizzate in diverse aree dell’epitelio solo parzialmente sovrapposte. I neuroni con questi due tipi di recettori mandano le proprie terminazioni nervose a parti del bulbo chiamate rispettivamente dominio I, più ristretto, e dominio II, più esteso. C’è poi una terza area, quella dei recettori TAAR (Trace Amine-Associated Receptors), identificati nel 2006. Secondo il modello attualmente più accettato dai ricercatori quindi, nel bulbo olfattivo ci sono tre macroregioni, o domini, che ricevono le informazioni olfattive da tre diverse classi di recettori: I, II e TAAR, tuttavia in questo caso non è possibile parlare di una vera e propria mappa sensoriale.

Credits: EMBO reports VOL 8 NO 7 2007.

Dal bulbo, dicevamo, l’informazione su cosa si è legato ai recettori olfattivi viene mandata alle regioni superiori del cervello, dove si trasformano nella percezione di un odore. La cosa più affascinante di tutto ciò è, infatti, che un odore, come ho già detto altre volte, diventa tale nel nostro cervello. Una molecola di per sé è solo una malecola ma diventa odore dopo che l’abbiamo annusata, anzi ognuno di noi ne avrà una percezione un pochino diversa, ma questa è un’altra storia…

Olfaction for beginners

From the receptors to the odor

Our nose is a special window, like the Alice’s looking glass, it is an intriguing passage, it connects directly our brain to the external world, it is our gate to the world of smell.

What happens to an airborne molecule entering our nose? When does it become an odor? The gross anatomy of these passages would be: nose – brain. Simple and fast. More precisely we have three main stages:

1. Olfactory epithelium, in the nose
2. Olfactory bulb, in the brain
3. Olfactory cortex (cognition), hippocampus (memory), amygdala (emotions); in the brain

Olfaction is a chemical sense: an odor is made out of several chemicals entering our nose with the air we breathe. At the end of our nasal cavity we find the olfactory epithelium, where olfactory receptors are sitting. There is actually some confusion sometimes about the term “olfactory receptor” due to the fact that people often call with this term both, the actual olfactory receptors and the olfactory sensory neurons where the olfactory receptors are sitting, but as we can see they are not the same thing. The olfactory receptors are specialized proteins present on the olfactory cells, which are by the way real neurons! These pear-shaped neuronal cells have a knob terminal from which depart several cilia. The cilia are exposed to the external environment and imbedded in a layer of mucus. From the other site of the olfactory cell departs another extension, a wire that goes to the olfactory bulb, and forms with many others the first cranial nerve called olfactory nerve.

Humans have around 10 million olfactory neurons (estimations in literature count 6-12 million) expressing almost 400 different types of receptors. Each neuron has only one type of those receptors meaning the 10 million of olfactory neurons are divided in roughly 400 types (without taking into account different alleles).

But how is it possible that with 400 receptors we can smell more than 10.000 different odors? It turns out we are with a bunch of Lego-bricks in our hands: we can combine them in different ways. The interaction between a molecule and a receptor works like a lock-and-key model but with differences among the receptors. Some are very specific and can recognize one or few molecules/key only, others are broadly tuned and can bind different chemicals. Since an odor is usually made out of several different chemicals, each molecule will activate different receptors, and as in a barcode the final combination of them will give us the final odor identity. The decoding of the barcode happens in the brain.

As we have seen the odor information goes from the olfactory neurons in the nose to the olfactory bulb where the information coming from the same type of receptors converge on the same unit called glomeruli. The olfactory bulb works as a sort of relay and an analyzer: it takes the information from the nose, it makes a first rough decoding and it send it up to the higher brain centers. Here the magic happens and molecules become odor, which is indeed very personal yet specific among people. How this happens is another story…

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