Riassunto esame Psicobiologia, Prof. Sestieri Carlo, libro consigliato Neuroscienze Esplorando il cervello, Bear

Psicobiologia parte II (cap 8-12 + psicofarmacologia 1-7)

Capitolo 8: I sensi chimici

Gusto e olfatto hanno un compito analogo: l’individuazione delle sostanze chimiche presenti nell’ambiente. Sono entrambi intimamente connessi con alcuni bisogni e funzioni fisiologiche fondamentali inclusi sete, fame, stato emotivo, desiderio sessuale e alcune forme particolari di memoria. Tuttavia, i due sistemi sono separati e diversi nella struttura e nel funzionamento dei rispettivi chemiorecettori, nell’organizzazione e negli effetti sul comportamento. Le informazioni derivanti da ciascun sistema sono elaborate in parallelo e, in seguito, integrate a livello della corteccia cerebrale.

Il gusto

L’uomo si è evoluto come animale onnivoro e, perciò, è stato necessario un sistema del gusto versatile e sensibile allo scopo di distinguere cibi potenzialmente commestibili e sostanze potenzialmente tossiche. Alcune preferenze gustative sono innate. C’è invece un senso di repulsione istintivo verso le sostanze amare; l’ovvio vantaggio di questa alta sensibilità alle sostanze amare sta nel fatto che le sostanze nocive sono spesso amare. L’esperienza, però, può influenzare fortemente le sensazioni istintive ed è così che si impara a tollerare o, addirittura, ad apprezzare l’amaro di certe sostanze (come ad esempio il caffè). L’organismo possiede anche la capacità di riconoscere la carenza di certi elementi fondamentali e indurre un appetito specifico, come nell’indurre desiderio di elementi salati in condizioni iposaline.

I sapori fondamentali

I gusti fondamentali sono 5: salato, acido, dolce, amaro e l’umami (gusto dell’aminoacido). Avendo a disposizione solo una manciata di gusti essenziali, com’è possibile percepire gli innumerevoli sapori di cibi? Tramite la combinazione di informazioni riguardo al sapore, all’odore e alla consistenza che caratterizzano un certo cibo. Infatti, innanzitutto, ogni alimento attiva una diversa combinazione dei gusti di base, contribuendo a rendere unico il sapore; quest’unicità è inoltre il risultato dell’azione combinata del gusto e l’olfatto; infine, importanti sono anche consistenza e temperatura.

Box strani gusti: grasso, amido, gassato, calcare, acqua

Le 5 categorie di gusti di base sono comuni a tutte le culture ma potrebbero esistere ulteriori tipi di gusto. Le persone amano i cibi grassi, i quali sono un concentrato di calorie e nutrienti essenziali. I principali costituenti delle sostanze grasse sono i trigliceridi, che conferiscono una consistenza caratteristica agli alimenti (oleosa, cremosa). Queste sensazioni sono rilevate dal sistema somatosensoriale, non dai recettori gustativi. In più, le sostanze grasse hanno elementi volatili che possiamo percepire attraverso l’olfatto. In ogni caso, è stato visto che i topi possiedono un tipo di cellula gustativa sensibile agli acidi grassi che esprime una proteina ritenuta essere un recettore per queste molecole; una proteina simile è stata trovata in cellule gustative umane e potrebbe essere un recettore sensibile ai grassi, quindi probabilmente anche noi siamo in grado di rilevare il gusto specifico dei grassi.

Le persone amano anche i cibi ricchi di amidi. L’amido è un carboidrato complesso, un polimero del glucosio. Esperimenti effettuati sui topi suggeriscono che la preferenza per gli zuccheri non è connessa al glucosio presente in essa, in quanto l’inattivazione del gene codificante la proteina T1R3 per il dolce e per l’umami, portava i topi modificati a essere indifferenti allo zucchero ma, come atteso, continuavano a ricercare cibi contenenti amido. Quindi, è possibile, almeno per i topi, che vi siano recettori gustativi specifici per gli amidi.

Amano anche le bibite gassate, cioè contenenti una quantità disciolta di CO₂. Come per i grassi, la gassatura viene percepita anche attraverso le vibrazioni indotte sulla mucosa della bocca e della lingua. Inoltre, il livello di CO₂ nel sangue è un indice per regolare la respirazione e vi sono recettori specializzati nel lume arterioso che lo misurano. Probabilmente possiamo percepire anche il gusto gassato, perché i topi possiedono cellule gustative dotate dell’enzima anidrasi carbonica che scinde il legame tra CO₂ e H₂O per formare protoni H⁺ e bicarbonato HCO₃^-. Alti livelli di protoni conferiscono un sapore amaro, suggerendo che le cellule gustative che rispondono al gusto amaro possano rilevare la gassatura. Non è ancora chiaro come si distingua l’amaro dalla gassatura: è possibile che la sensazione specifica della gassatura dipenda dalla giusta combinazione di gusto amaro e sensazione somatica di formicolio.

Molti animali trovano i sali di calcio gustosi in condizioni di deprivazione di calcio ma li respingono quando ne sono sazi. Un’ipotesi è che il catione Ca²⁺ sia percepito come una combinazione di gusti amaro e acido. Esperimenti, invece, suggeriscono che l’avversione per il calcio richiede la presenza della proteina T1R3, mentre il gusto del Ca²⁺ nell’uomo è attenuato dalla presenza di una sostanza che si lega a quella stessa proteina. È possibile, quindi, ma non è ancora dimostrato, che tale proteina sia parte di un recettore gustativo specifico per il calcio. Soggetti umani che assaggiano acqua distillata la descrivono come dolce, salata, amara, a seconda delle condizioni sperimentali; tuttavia, recettori per l’acqua nelle cellule gustative umane dei mammiferi non sono ancora stati identificati.

Gli organi del gusto

La lingua è alla base della percezione del gusto ma anche altre aree della bocca (palato, faringe ed epiglottide) sono coinvolte nel processo. Gli aromi del cibo ingerito possono passare attraverso la faringe nella cavità nasale dove vengono analizzati dai recettori olfattivi. La punta della lingua è particolarmente sensibile al dolce, mentre il fondo percepisce l’amaro e i lati il salato e l’acido. Tuttavia, questo non vuol dire che la sensazione dolce venga percepita solo con la punta della lingua, in quanto la maggior parte di quest’organo è sensibile a tutti i gusti fondamentali.

Sulla superficie della lingua sono distribuiti innumerevoli piccoli rilievi: le papille. Queste possono assumere forma allungata (foliate), leggermente convessa (vallata) o fungiforme (fungiformi). Ciascuna papilla contiene da una a diverse centinaia di calici gustativi, ciascuno formato da cellule recettrici del gusto o cellule gustative, disposte all’interno del calice con gli spicchi di un’arancia. Le cellule gustative rappresentano solo l’1% dell’epitelio linguale. I calici gustativi sono formati anche da cellule basali e da un fascio di assoni afferenti del gusto.

Per mezzo di goccioline piccolissime è possibile esporre una singola papilla linguale a basse concentrazioni di varie sostanze stimolatrici dei gusti base. Concentrazioni troppo basse non vengono percepite ma aumentandole gradualmente si raggiunge un valore specifico (concentrazione di soglia) che permetterà la percezione del gusto. A valori appena superiori alla soglia, la maggior parte delle papille tende a essere sensibile a uno solo dei gusti base; a un ulteriore incremento di concentrazione questa selettività tende ad attenuarsi, per cui può accadere che una papilla rilevi solo il dolce in presenza di stimoli deboli e poi anche il salato e l’acido, se gli stimoli aumentano d’intensità. Quindi, ora sappiamo che ogni papilla contiene diversi tipi di recettore gustativo e che ogni tipo di recettore è specializzato per una diversa categoria di gusto.

La porzione delle cellule del gusto che risulta sensibile agli stimoli chimici è costituita dalla piccola regione membranosa posta vicino alla superficie linguale. Questa regione presenta dei microvilli che si prolungano fino al poro gustativo, una piccola apertura sulla superficie della lingua dove la cellula gustativa entra in contatto con le sostanze disciolte nella saliva. Le cellule del gusto non sono assimilabili a neuroni da un punto di vista istologico ma formano legami sinaptici con le terminazioni degli assoni sensitivi dei calici gustativi.

Vi sono anche delle sinapsi elettriche e chimiche con alcune cellule basali e tra queste e gli assoni, costituendo quindi una sorta di circuito semplice di elaborazione delle informazioni all’interno di ciascun calice gustativo. Le cellule del gusto sono soggette a un ciclo continuo di crescita, morte e rigenerazione; la loro vita media è pari a circa due settimane. Il processo è influenzato dal nervo sensitivo che, se reciso, determina la degenerazione dei calici gustativi.

Quando uno stimolo chimico attiva una cellula recettoriale gustativa, il potenziale di membrana si depolarizza e questa variazione di voltaggio si chiama potenziale di recettore. Se la depolarizzazione è abbastanza forte, alcune cellule gustative possono, similmente ai neuroni, generare potenziali d’azione. In generale, la depolarizzazione induce l’apertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti; il calcio entra nel citoplasma e innesca il meccanismo di liberazione dei trasmettitori. Il tipo di trasmettitore rilasciato dipende dal tipo di cellula recettoriale: l’acido e il salato causano il rilascio di serotonina sugli assoni gustativi, mentre dolce, amaro e umami rilasciano ATP come principale trasmettitore. In entrambi i casi, il trasmettitore eccita il neurone sensoriale post-sinaptico e lo induce a scaricare potenziali d’azione che comunicano il segnale gustativo al bulbo. Le cellule gustative possono usare anche altri tipi di neurotrasmettitori, come acetilcolina, GABA e glutammato, ma la loro funzione è ancora ignota.

Studi recenti sulle cellule gustative del topo suggeriscono che la maggior parte delle cellule sia sensibile principalmente, o unicamente, a uno dei 5 gusti principali. Tuttavia, alcune cellule gustative mostrano preferenze di risposta multiple. Il motivo per cui una cellula risponde solo a uno dei gusti mentre un’altra percepisce 3 o 4 categorie diverse risiede nei meccanismi di trasduzione del gusto in ciascuna cellula.

Meccanismi di trasduzione del gusto

Il processo per cui uno stimolo ambientale causa una risposta elettrica del recettore è detto trasduzione. Alcuni sistemi sensoriali (come per il sistema uditivo) presentano un solo tipo di recettore che usa un unico meccanismo di trasduzione, mentre la trasduzione del gusto è possibile grazie a meccanismi differenti e ogni specifico sapore può essere associato a uno o più di questi meccanismi. I singoli gusti vengono evocati dalle diverse sostanze tramite:

• Passaggio diretto attraverso i canali ionici salato e acido;
• Legame e blocco di canali ionici acido;
• Legame con recettori di membrana proteina G-dipendenti, con attivazione di secondi messaggeri i quali, a loro volta, aprono dei canali ionici amaro, dolce e umami.

Salato

Il prototipo dei composti chimici salati è il sale da cucina NaCl. A basse concentrazioni ha un buon sapore, mentre ad alte concentrazioni assume una connotazione spiacevole. Il gusto del sale è dato dal catione Na⁺, ma i recettori del gusto usano meccanismi diversi per percepire le alte o basse concentrazioni di esso. Per rilevare le basse concentrazioni, le cellule sensibili al salato usano specifici canali Na⁺ selettivi per il sodio, che possono essere bloccati dal farmaco amiloride (un farmaco antidiuretico). I canali per il sodio sensibili all’amiloride hanno una sensibilità alquanto diversa rispetto ai canali per il sodio voltaggio-dipendenti che innescano un potenziale d’azione, essi infatti sono insensibili alle variazioni di voltaggio e rimangono sempre aperti.

Bevendo il brodo, ad esempio, la concentrazione dello ione Na⁺ aumenta all’esterno del recettore determinando l’aumento del gradiente di concentrazione del sodio rispetto al citoplasma. Il catione inizia quindi a fluire all’interno provocando una depolarizzazione della membrana. Questa depolarizzazione a sua volta determina un’apertura dei canali per il sodio e per il calcio voltaggio-dipendenti vicino alle vescicole sinaptiche, causando il rilascio di molecole neurotrasmettitrici sull’assone gustativo afferente.

Sembra, inoltre, che alte concentrazioni di NaCl attivino i recettori per l’amaro e per l’acido che normalmente scatenano comportamenti di evitamento; il motivo è ancora un mistero.

Acido

Il gusto aspro è dato dal contenuto in acidi. Questi si dissociano parzialmente in acqua generando ioni idrogeno (protoni o H⁺) che sono responsabili di questo gusto. I protoni potrebbero agire in vario modo. È probabile che si leghino, bloccandoli, a speciali canali selettivi per il potassio; quando la permeabilità della membrana allo ione K⁺ si riduce, la cellula si depolarizza. Gli ioni H⁺ potrebbero anche attivare un tipo speciale di canale ionico appartenente alla grande famiglia dei canali recettoriali TRP e la corrente di cationi che attraversa i recettori TRP potrebbe anche depolarizzare i recettori per l’acido. È possibile, quindi, che il sapore aspro venga evocato da una costellazione di effetti.

Amaro

I processi di trasduzione alla base della percezione del gusto amaro, dolce e umami dipendono dall’azione di due ceppi di proteine recettori gustativi T1R e T2R. Sono tutti recettori gustativi proteina Gh-dipendenti e sono dimeri (coppie di proteine legate l’una all’altra). Nell’uomo le sostanze amare vengono rilevate da numerosi e diversi tipi di recettori T2R (circa 25 tipi). Dal momento che ogni cellula gustativa può mandare un solo tipo di segnale al proprio nervo afferente, una sostanza che si lega con uno dei suoi 25 recettori darà origine essenzialmente alla stessa risposta di una diversa sostanza che si lega con un altro dei suoi recettori per l’amaro. Il messaggio importante che il cervello riceve dai recettori è semplicemente che il gusto amaro è “cattivo”, anche se il sistema nervoso, apparentemente, non distingue un tipo di sostanza amara da un’altra.

I recettori dell’amaro usano anche una seconda via per portare il loro segnale e questa seconda via può essere comune ai recettori per amaro, dolce e umami. Quando un gusto si lega con un recettore per l’amaro (o dolce o umami) attiva le sue proteine G che stimolano l’enzima fosfolipasi C, aumentando così la produzione del messaggero intracellulare IP₃ che attiva, nelle cellule gustative, una specifica tipologia di canali ionici e ne determina l’apertura consentendo l’entrata del Na⁺, depolarizzando così la cellula. L’IP₃ può anche determinare un rilascio del Ca²⁺ dai siti di immagazzinamento intracellulari e, a sua volta, il calcio provoca il rilascio del neurotrasmettitore. Le cellule gustative per amaro, dolce e umami non contengono le vescicole presinaptiche classiche di immagazzinamento dei neurotrasmettitori. L’aumento di Ca²⁺ intracellulare, invece, attiva speciali canali di membrana che permettono l’uscita di ATP dalla cellula. L’ATP agisce da neurotrasmettitore e attiva recettori purinergici presenti sull’assone gustativo post-sinaptico.

Dolce

I recettori del dolce sono simili a quelli dell’amaro, in quanto sono dimeri proteici legati alla proteina G. Per funzionare, un recettore dolce richiede due particolari elementi della famiglia dei recettori T1R, ovvero T1R2 e T1R3. Se uno di questi elementi manca o muta, un animale può non percepire il gusto dolce, infatti, i gatti mancano dei geni codificanti per T1R2 e sono indifferenti al gusto dolce. Le sostanze che si legano con i recettori T1R2 + T1R3 attivano lo stesso tipo di secondo messaggero che viene attivato dai recettori dell’amaro. L’amaro, però, non viene confuso con il dolce perché le proteine recettrici per l’amaro e quelle per il dolce sono espresse in differenti cellule gustative. Le cellule dei gusti amaro e dolce, a loro volta, sono connesse con assoni gustativi differenti e i messaggi rispetto al dolce e all’amaro vengono inviati al sistema nervoso centrale attraverso linee di trasmissione distinte.

Umami

Il processo di trasduzione per l’umami (glutammato) è identico a quello per il dolce, con l’eccezione che il recettore per l’umami è costituito da un membro diverso della famiglia di proteine del T1R, ovvero T1R1 + T1R3. Poiché la proteina T1R3 è comune ad entrambi i gusti, si intuisce che è l’altra proteina del ceppo T1R a determinare la sensibilità dei recettori agli aminoacidi o ai gusti dolci. La mancanza del recettore T1R1 non permette la percezione del gusto degli aminoacidi. Non confondiamo il gusto degli aminoacidi con quello delle sostanze dolci o amare perché, ancora una volta, le cellule gustative esprimono selettivamente solo una classe di proteine recettrici del gusto. Vi sono cellule del gusto specifiche per l’umami e gli assoni gustativi che vengono stimolati inviano a loro volta messaggi specifici per l’umami.

Le vie centrali per l’elaborazione del gusto

Il flusso principale delle informazioni si origina a livello dei calici gustativi, passa dagli assoni primari nel tronco encefalico e al talamo e, infine, alla corteccia. A condurre l’informazione dagli assoni primari al cervello sono 3 nervi cranici:

• I 2/3 anteriori della lingua e del palato sono collegati al nervo VII o nervo facciale;
• Il terzo posteriore è innervato dal IX o nervo glossofaringeo;
• Le regioni intorno alla gola, incluse glottide, epiglottide e faringe, ricevono le diramazioni del nervo X o nervo vago.

Gli assoni gustativi di questi nervi entrano nel tronco encefalico, si fascicolano e creano sinapsi con il nucleo gustativo, ovvero una parte del nucleo solitario nel bulbo. A partire da questo punto, i percorsi del gusto si divergono. La percezione dei sapori è presumibilmente mediata dalla corteccia cerebrale. Il percorso che passa dal talamo e prosegue verso la neocorteccia è il principale per la percezione dei sapori.