L’olfatto spiegato facile – Olfaction for beginners

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
Sobel, 2010

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.

nose

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.

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Sezione di epitelio olfattivo.

OLFACTORY CILIA

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.

Olfaction EMBO reports VOL 8 NO 7 2007

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…

Bonus

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Se il recettore (olfattivo) non sta nel naso -If the receptor is not in the nose

What is real? How do you define real? If you are talking about what you can feel, what you can smell, what you can taste and see, then real is simply electrical signals interpreted by your brain. This is the world that you know (The Matrix, 1999).

senses

Quand’è che un odore diventa tale? Parafrasando un detto noto, potremmo dire l’odore sta nel naso – e nel cervello – di chi annusa. Senza addentrarci negli aspetti filosofici della questione, possiamo ragionevolmente affermare che la realtà esiste “indipendentemente” dalla nostra percezione, però, diventa per noi “reale” grazie ai nostri sensi, con i quali possiamo percepirla, seppur spesso in modo sfuggevole, soggettivo e ingannevole. E allora, in quest’ottica, quando un odore diventa un odore?

La percezione olfattiva è il risultato di processi fisiologici, cognitivi e psicologici, che si svolgono principalmente nel nostro cervello e ci permettono di definire alcune sensazioni come odorose. Il naso da solo non farebbe molto se non fosse ben cablato e non avesse un sistema efficiente per comunicare al cervello le informazioni ricevute. Per cui, un odore, diventa davvero tale quando, dopo essersi legato a specifici recettori nel nostro naso, viene “rielaborato” nella nostra testa. Sembra banale dirlo ma, se i recettori per le molecole odorose si trovassero su altre cellule, in altre parti del nostro corpo, noi non sentiremmo alcun odore.

La cosa intrigante, ma che può confondere alcuni, è che però alcuni recettori olfattivi si trovano davvero anche in altre parti del corpo. Come mai?

Si chiamano recettori olfattivi ectopici, perché appunto localizzati in parti esterne al naso – a dirla tutta, sono stati trovati “fuori posto” anche alcuni recettori per il gusto – e non si tratta di anomalie e disfunzioni, come pure potrebbe accadere. I ricercatori li hanno trovati in diversi organi e tessuti: lingua, polmoni e altri tratti delle vie respiratorie, su alcune cellule della muscolatura liscia dei bronchi, reni, pancreas, milza, testicoli, spermatozoi, cervello, sangue, pelle.

In alcuni casi, evidenze sperimentali indicano o suggeriscono possibili funzioni, per altri si è appena iniziato a capire e a ipotizzare a cosa possano servire.

È stata abbastanza studiata, per esempio, la funzione del recettore “hOR 17-4”, scovato sugli spermatozoi e studiato da Marc Spehr e colleghi già nel 2003. Questo recettore, espresso anche nel naso, risponde a una molecola chiamata bourgeonal, un’aldeide aromatica il cui odore richiama quello del mughetto, e per questo usata infatti anche in profumeria. Che ci fa questo recettore sugli spermatozoi?

La sua presenza è stata confermata negli ultimi anni anche da altri studi scientifici, che hanno trovato anzi altri recettori in diverse parti dello spermatozoo: testa, “collo” , coda. L’ipotesi principale, anche se non ci sono ancora prove dirette, è che questi recettori svolgano una funzione chemotattica, cioè contribuiscano all’attrazione dello spermatozoo verso molecole chimiche rilasciate dalla cellula uovo, e quindi facilitando la fecondazione. Tuttavia, anche se con test in vitro si è visto che il recttore risponde al bourgeonal, non sono ancora state isolate molecole specifiche dalle cellule uovo che possano agire nello stesso modo su quel recettore.

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From Flegel et al., Front. Mol.Biosci., 2015

 

Un altro dato curioso, ottenuto dai ricercatori nel 2010 testando la molecola bourgeonal su 500 soggetti adulti, 250 maschi e 250 femmine, è che in questo studio i maschi sono risultati più sensibili delle donne: percepivano questa molecola a concentrazioni molto piu basse rispetto alle donne (13 parti per bilione negli uomini, 26 ppb nelle donne). Il come e il perché di questo fatto non è ancora del tutto chiaro.

Recettori olfattivi ectopici, dicevamo, sono stati isolati in diversi tessuti e in certi casi si pensa abbiano un ruolo nel riconoscimento di sostanze chimiche importanti per il metabolismo cellulare o la comunicazione tra cellule. Nel caso dei recettori trovati nel pancreas, per esempio, un’ipotesi è che possano contribuire al controllo del rilascio di insulina, ma non è ancora stato accertato.

Di fatto la comunicazione tra cellule e la regolazione delle funzioni fisiologiche di tessuti e organi avviene in buona parte attraverso sofisticati meccanismi che coinvolgono molecole chimiche usate come “messaggeri”. Dal momento che i recettori olfattivi sono fatti per riconoscere molecole chimiche – normalmente gli odori nel naso – è ragionevole pensare che alcuni di essi possano essere espressi anche in altre parti del corpo per riconoscere altre molecole chimiche importanti per le funzioni dei tessuti in cui sono espressi. Questo non deve però trarre in inganno e far pensare che anche quei recettori, espressi in altre parti del corpo, servano in qualche modo a “sentire” gli odori. Per capirci: immaginiamo il recettore olfattivo nel naso come una serratura che può essere aperta (cioè attivato) da una chiave (la molecola odorosa). Questa serratura si trova, diciamo, su una porta d’ingresso e quindi il risultato della sua “attivazione” sarà far entrare e uscire le persone da casa. Ma di serrature ce ne sono tanti tipi, e non solo sulle porte: possono trovarsi anche su finestre, valigette, scatole, armadietti e via dicendo. La funzione specifica della serratura non cambia o cambia poco– c’è un meccanismo che fa “scattare” un’apertura – ma il risultato finale, una porta che si apre e gente che entra, un armadietto in cui vengono riposte delle cose, una valigetta per trasportare degli oggetti, decisamente cambia. Perciò, così come aprendo la serratura di un cassetto non possiamo aspettarci come effetto finale l’ingresso o l’uscita di persone, analogamente, dall’attivazione di un recettore olfattivo, scovato per esempio nelle cellule epiteliali, non potremo aspetterci una sensazione olfattiva.

Come dicevamo all’inizio, un odore diventa un odore nella nostra testa dopo che una cascata di messagi chimici e segnali elettrici porta l’informazione attraverso strutture, specializzate per quello, dal naso al cervello.

E, però, è sempre grazie agli affascinanti meccanismi del nostro cervello-mente che possiamo immaginare, come poetica ispirazione, di poter annusare e sentire gli odori non solo col naso ma con tutto il nostro corpo.

 

If the Olf-receptor is somewhere else

When an odor becomes an odor? When do we smell what we smell? What we know about reality – aside from philosophical issues – comes from our senses; it exists independently from us, but somehow, we can say, it becomes “real” to us thanks our senses.

About smell, we can say an odor becomes an odor in our head, that is when a molecule, after binding the receptors in our nose, sends a message to our brain, which processes it, and the odor becomes a smell perception. Without this pathway we could not smell any odor. If the odorant receptor would be somewhere else, in our body, we could not have any smell perception.

However, we do have some odorant receptors outside our nose, expressed in other organs and tissue. Why?

Scientists have found ectopic odorant receptor – odorant receptors expressed not in the nose – in many tissues: lung, spleen, pancreas, heart, testis, sperm, and skin. However their function is in most of cases still under discussion.

One of the most studied is the receptor “hOR 17-4”. This odorant receptor is present in the nose, and in sperm. Marc Spehr and colleagues discovered already in 2003 that it can be activated by the compound bourgeonal, an aromatic aldehyde which smells like lily of the valley, and therefore used often in perfumery as well. Why on heart sperm should express such receptors? This and other studies suggest these odorant receptors (meanwhile scientists find other odorant receptors on sperm) can help sperm, through a chemotactic mechanism, to find their way to the egg during fecundation. There is still no direct prove of that, and so far no physiological odorants emitted by the egg has been isolated yet, so scientists are still working on it in order to clarify the details of such fascinating mechanism.

In general, an odorant receptor is made to detect chemicals, and since often cell-to-cell communication in our body happens via chemicals, released and detected by cells, it makes sense that, in certain cases, our body evolved systems which use also odorant receptor in other tissues to detect substances. That does not mean we can “sense” and smell with such ectopic receptors of course, but their function aside their “conventional” job in the nose remain an intriguing mechanism and a scientific open field of research.

An odor becomes an odor in our head, and we cannot really “smell” with the full body. But still, we do it, every time we let our inspiration and our minds float aside an odor perception.

Bonus

These receptors seems to be quite conserved among species and scientist found them not only in humans

Summer digest II

Nell’ultimo scorcio di estate vi lascio ancora una carrellata di notiziole e appuntamenti intorno a olfatto e odori, riprenderemo poi da metà settembre con post “più corposi” (sì a me piace seguire il calendario scolastico, c’ho pure il diario ancora :D).

 

  • Il topo “super-sniffer” (l’hanno chiamato loro così eh)

Lo studio, condotto dai ricercatori del laboratorio di Paul Finestein della City University di New York, è stato pubblicato a luglio scorso sulla rivista scientifica Cell Reports. In breve, gli scienziati hanno messo a punto una nuova strategia di modificazione genetica che permette a un predefinito recettore olfattivo di essere espresso più di quanto avverrebbe normalmente, e di conseguenza il topo con questa “amplificazione” recettoriale diventa molto più sensibile all’odore corrispondente. Il MouSensor, come è stato chiamato, potrà essere molto utile per sviluppare linee di ratti super-sniffer da addestrare a riconoscere sostanze come il trinitrotoluene (TNT) presente nelle mine e che potrebbero così essere usati senza rischio per sminare i campi (questi animali essendo molto piccoli hanno un peso non sufficiente a innescare le mine). Un’altra applicazione interessante potrà essere lo sviluppo di nose on a chip e tecnologie per la diagnosi precoce di malattie che danno come campanello di allarme la produzione di molecole e “odori” specifici.

  • ECRO – meeting dal 7-10 Settembre, Atene

L’annuale congresso della società europea dei sensi chimici quest’anno si terrà ad Atene nella prima metà di settembre. Si tratterà come sempre di un importante momento di scambio in ambito scientifico.

  • Scent – the smell of architecture

A Basilea invece a partire dal 31 agosto, fino al 21 dicembre, il Scent Culture Institute organizza una serie di mostre e incontri interessanti (in tedesco), per il pubblico generico, su olfatto e spazio architettonico. In che modo interagiamo e veniamo influenzati dagli odori a seconda dello spazio pubblico e architettonico in cui ci troviamo e dei materiali di cui questi spazi sono fatti.

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  • Pitti Fragranze

Fiera di profumeria artistica che si svolge a Firenze dal 9 all’11 settembre, un bel posto per chi ama i profumi e volesse iniziare a esplorare un po’ meglio di più questo mondo, o per chi già li ama e vuole seguire le ultime novità.