Fisiologia dell'udito, olfatto e gusto

Senso dell'olfatto

La percezione olfattiva è determinata da due fattori distinti che lavorano in parallelo:

• Fattori di tipo microscopico, ovvero il numero di recettori olfattivi presenti nella mucosa olfattiva. La maggiore acuità del senso dell'olfatto di alcuni animali, ad esempio il cane, deriva dal fatto che essi possiedono in media 1 miliardo di recettori olfattivi contro i 15 milioni dell'essere umano.
• Fattori di tipo macroscopico, ovvero l'estensione delle aree encefaliche destinate all'analisi delle informazioni olfattive. Nel ratto le aree sono molto più sviluppate che non nell'uomo.

L'epitelio olfattivo del naso è limitato a una piccola area (400 mm² circa) del tetto del turbinato nasale superiore e del setto nasale. Come già detto per il sistema gustativo, gli aromi che raggiungono il naso-faringe dal cavo orale quando si mangia rappresentano una fonte essenziale per la percezione del sapore dei cibi.

Tipi di cellule epiteliali

All'interno della sua mucosa si distinguono tre tipi di cellule epiteliali:

• Cellule olfattive: queste sono cellule epiteliali specializzate che si comportano, funzionalmente, come dei neuroni. Posseggono un pirenoforo, all'interno dell'epitelio, e due specializzazioni:
  • Specializzazione apicale: è una piccola espansione bottoniforme, detta vescicola olfattiva, da cui sporgono circa 30 ciglia che corrispondono alla porzione funzionalmente recettiva della cellula; su di esse si trovano i recettori transmembrana che legano ciascuno una molecola odorosa.
  • Specializzazione basale: consta di un filuzzo del nervo olfattivo che, unendosi agli altri suoi simili, genera il nervo olfattivo, passando per la lamina cribrosa dell'etmoide, convergendo verso il bulbo olfattivo dando inizio alla via olfattiva.
• Cellule di sostegno: sono elementi colonnari che sostengono le cellule sensitive, proteggendole, e partecipano alla costituzione del muco olfattivo.
• Cellule staminali basali: rinnovano, ogni 30-60 giorni, le cellule sensitive e di sostegno.

Nella lamina propria della mucosa si trovano le ghiandole di Bowman, che producono il muco olfattivo, costituito di numerose sostanze volte a sciogliere in maniera ottimale le molecole odorose, insieme ad IgA e lisozima a scopo antibatterico. È anche presente una proteina carrier delle sostanze odorose, la OBP (odorant binding protein), che opera in due modi:

1. Lega gli odori cedendoli in maniera tonica al recettore olfattivo.
2. Lega gli odori cedendoli in maniera rallentata, poiché un’esposizione eccessiva del recettore a stimoli olfattivi potrebbe far insorgere in esso eventi neurodegenerativi.

Struttura e funzionamento dei recettori olfattivi

Sulle ciglia della vescicola olfattiva sono presenti numerosissimi recettori olfattivi a 7 domini transmembrana (7TMS) accoppiati a proteine G e hanno una sensibilità molto elevata: possono infatti percepire molecole nell'ordine di concentrazione della μMole.

Il legame della molecola odorosa al recettore attiva quindi la cascata di trasduzione del segnale AC-cAMP il quale attiva un simporter Na⁺/Ca²⁺, che causa un ingresso di queste cariche in cellula, permettendo agli Ca²⁺ di attivare altri due canali:

• Un canale di leakage per il Cl^-, che fuoriesce dalla cellula aumentando il grado di depolarizzazione.
• Un Na⁺/Ca²⁺ antipor, che estrude progressivamente ioni Ca²⁺.

La corrente elettrica che si viene a creare costituisce un potenziale di recettore: esso è graduato e proporzionale allo stimolo, producendo una frequenza di scarica tanto maggiore quanto più intenso è lo stimolo. Questa si comunica in maniera elettrotonica al polo basale della cellula.

Proprietà dei recettori olfattivi

Inoltre, i recettori olfattivi sono dotati di due proprietà importanti:

1. Una stessa molecola odorosa può generare sensazioni olfattive diverse: a ciascuna molecola risponderanno infatti tanti più neuroni quanto più essa è concentrata nella mucosa olfattiva. In questo modo, una stessa molecola a diversa concentrazione determina negli esseri umani sensazioni olfattive diverse (ad esempio l'indolo, a concentrazioni basse, ha un odore floreale mentre assume odore putrido a concentrazioni elevate).
2. Discriminano gli enantiomeri: una stessa molecola odorosa possiede due recettori, uno per ciascun enantiomero; così, mentre il D-carvone viene percepito come menta, la forma L-carvone odora di semi di cumino.
3. Adattabilità: se si viene esposti per molto tempo allo stesso cattivo odore, dopo un po’ non lo si sente più mentre, al contrario, se ci si allontana temporaneamente dall'esposizione per poi ritornarvi, lo si avverte nuovamente. Questa capacità di adattamento è data da due processi distinti:
   • Desensibilizzazione del recettore olfattivo da parte di una chinasi.
   • La cellula olfattiva può autoregolare la sua sensibilità al cAMP della via di trasduzione.

I recettori-canale per le molecole odorose sono, nell'essere umano, più di 1000 diversi, codificati tutti a partire dalla stessa superfamiglia di geni: ogni singola cellula sensitiva ne possiede un solo tipo e di conseguenza può percepire una singola stimolazione odorosa.

Nell'uomo, come nel topo, la mucosa olfattiva si divide in quattro zone principali in cui sono presenti per la maggior parte cellule sensitive allo stesso tipo di stimolo, alternate da una popolazione minore di cellule presentanti recettori diversi; questa disposizione suggerisce una prima segregazione dell'informazione olfattiva che poi verrà inviata al bulbo olfattivo.

Bulbo olfattivo

Il bulbo olfattivo è una costituzione pari e simmetrica di forma globosa, costituita nello specifico da paleopallio, una struttura di corteccia cerebrale a sviluppo filogeneticamente intermedio tra l'archipallio dell'ippocampo e del neopallio. Pertanto, esso è formato da 5 strati di corteccia ben sviluppati nel bambino, mal sovrapposti nell'adulto e contiene 2 tipologie di cellule:

1. Neuroni di proiezione, detti cellule mitrali o a pennacchio, che ricevono col loro dendrite le sinapsi dalle cellule olfattive e tramite il loro assone proiettano, attraverso il tratto olfattivo, ai vari bersagli della via.
2. Interneuroni, detti cellule granulari e periglomerulari, di tipo associativo.

Gli interneuroni si pongono in contatto con la sinapsi che si genera tra cellula sensitiva e cellula mitrale/capelluta generando una struttura globosa detta glomerulo; il singolo assone di una cellula sensitiva può convergere su un solo glomerulo, mentre ogni glomerulo viene bersagliato dalle sinapsi di migliaia di cellule sensitive.

Queste sinapsi, rapportate alle circa 50 cellule mitrali per glomerulo, corrispondono a una riduzione del numero di cellule di 100 volte; al loro interno, infatti, vi è una convergenza di informazioni circa le molecole odorose per ricostruire l'identità della molecola stessa sulla base di due principi:

• Una stessa molecola odorosa può stimolare più glomeruli diversi.
• Ciascun glomerulo riceve proiezioni riguardanti un solo tipo di recettore.

Si ritiene, infatti, che i 1000 recettori diversi per le molecole odorose possano captare ciascuno un aspetto della struttura molecolare di un dato composto, qualità che può essere presente in più molecole odorose diverse: la convergenza di un tipo di recettore su un tipo di glomerulo codifica quindi per un singolo aspetto della molecola. Dato che, poi, gruppi di glomeruli che ricevono dallo stesso recettore si trovano topograficamente vicini, si va a creare una mappa stereotipata delle informazioni che raggiungono il bulbo olfattivo di modo che, immaginando che ogni singolo glomerulo sia un puntino luminoso, la disposizione spaziale dei puntini luminosi che si accendono in corrispondenza di una particolare molecola codifica per tutte le qualità della stessa.

Vie olfattive centrali

Dal bulbo olfattivo si diparte il tratto olfattivo, struttura cilindrica di sostanza bianca che contiene gli assoni delle cellule mitrali e capellute in uscita dal bulbo: una volta raggiunta la sostanza perforata anteriore, il tratto olfattivo forma un trigono che si divide in tre strie olfattive, ciascuna delle quali presenta differenti proiezioni. L'immagine mostra le connessioni delle vie olfattive ai loro vari bersagli finali:

• Corteccia prepiriforme e periamigdaloidea: corrispondono alla corteccia olfattiva primaria, sita nelle aree 28 e 34 secondo Brodmann, rispettivamente nei giri ambiens e semilunare dell'uncus della circonvoluzione ippocampale, dove vengono analizzati gli stimoli olfattivi.
• Corteccia orbitofrontale: lateralizzata a destra, permette la presa di coscienza degli stimoli olfattivi cui si è sottoposti.
• Corteccia entorinale: immette le informazioni olfattive nell'ippocampo per costituire una memoria olfattiva a lungo termine. È molto interessante notare che, data l'intima adesione a livello anatomico tra l'ippocampo e la corteccia olfattiva primaria, gli stimoli olfattivi sono i più potenti in assoluto per capacità di evocare non solo il ricordo di un evento/persona/luogo, ma soprattutto le emozioni che sono state provate in relazione a quel ricordo.
• Amigdala: è già stato più volte analizzato il ruolo dell'amigdala nel mediare gli aspetti emotivi della vita (con particolare riferimento alla paura). Inoltre l'amigdala va anche a mediare il riflesso fisiologico della salivazione sulla base degli stimoli olfattivi tramite le connessioni che dipartono dalla stria terminale: dall'ipotalamo, penultima stazione del circuito, parte il fascicolo longitudinale dorsale di Schultze, che proietta ai nuclei:
  • Salivatorio superiore, del nervo faciale. Da questo il percorso continua: corda del timpano ---> ganglio sottomandibolare/sottolinguale (nervo linguale del mandibolare del trigemino) ---> ghiandola sottomandibolare/sottolinguale/ e salivari minori.
  • Salivatorio inferiore, del glossofaringeo, da cui la via continua nervo timpanico ---> nervo piccolo petroso superficiale ---> ganglio otico (nervo mandibolare del trigemino) ---> nervo auricolotemporale del mandibolare del trigemino (ghiandola parotide ) + nervo buccale del mandibolare del trigemino (ghiandole malari).
  • Dorsale motore, del vago.

N.B.: è stata dimostrata una differenza di sesso riguardo le aree dell'ipotalamo attivate da questa via: nell'uomo è l'ipotalamo posteriore, nella femmina è quello anteriore.

Test di valutazione della capacità olfattiva e principali patologie associate a degenerazione dell'olfatto

La capacità olfattiva si deteriora fisiologicamente con l'età a causa di processi che possono riguardare:

• Alterazione della struttura dell'epitelio olfattivo, che impedisce alla molecola odorosa di legarsi al recettore.
• Degenerazione delle aree di proiezione e di analisi delle informazioni olfattive.

Il grafico ETÀ(X)-PERCENTUALE DI RISPOSTE ESATTE(Y) evidenzia come il fenomeno dell'invecchiamento sia connesso a una degenerazione lineare delle facoltà olfattive. L'incapacità di sentire gli odori viene definita anosmia; essa può essere sintomo di diverse patologie che interessano il sistema nervoso e che possono essere di due tipi:

1. Patologie neurodegenerative.
2. Patologie neuropsichiatriche; non è insolito per i pazienti neuropsichiatrici fare esperienza di allucinazioni olfattive. Accade nelle malattie a spettro autistico o patologie caratterizzate da un alterato sviluppo delle vie olfattive, nel qual caso la corteccia orbito-frontale viene raggiunta da afferenze che non hanno seguito il normale percorso lungo le vie dell'olfatto.

Senso del gusto

Il senso del gusto è integrato nel comportamento alimentare per ragioni biologicamente sensate: ad esempio, una carenza del sale inorganico NaCl provoca una spiccata voglia di salato mentre l’assunzione di sostanze dal sapore molto amaro condiziona l’avversione per i cibi che le contengono e ciò indipendentemente dall’età e dal background culturale di provenienza.

Recettori del gusto

I recettori gustativi sono cellule sensoriali secondarie che, a differenza delle primarie, sono recettori epiteliali specializzati, vale a dire cellule non neuronali. Alcuni di essi esprimono sulla propria membrana cellulare canali ionici del Na⁺ e del K⁺ voltaggio-dipendenti con una densità tale per cui sono in grado di generare potenziali d’azione. I recettori gustativi sono cellule funzionalmente polarizzate: infatti, a livello della membrana apicale formano dei microvilli che si estendono nel liquido attraverso il poro della papilla gustativa. È qui che ha luogo, previo legame con le molecole gustative i sapori, il potenziale recettoriale. La trasformazione dello stimolo in potenziali d’azione avviene nelle fibre afferenti che penetrano basalmente ed appartengono alle cellule cerebrali coinvolte.

I recettori del gusto sono i calici (o bottoni) gustativi, situati:

• Nella lingua, in massima parte, si localizzano sulle papille fungiformi, foliate e circumvallate.
• Nella faringe.
• Nell'epiglottide.

Essi sono circa 3000 nell'adulto e sono costituiti da una struttura sferoidale di diametri 40x80 μ, di cui il maggiore è perpendicolare all'epitelio; al loro interno si trovano 150-250 cellule, divise in:

1. Cellule gustative: in numero di 15-20, sono le vere e proprie cellule sensitive, organizzate al centro e comunicanti col lume attraverso un canale gustativo, teso tra i pori gustativi interno ed esterno. Queste cellule sono polarizzate:
   • Il polo apicale consta di numerosi microvilli che si affacciano nel canale gustativo e contengono dei recettori-canale a 7 domini transmembrana (7TMS) associati a proteine G; questi captano, in maniera varia, i differenti gusti.
   • Il polo basale è raggiunto dal terminale sinaptico centrifugo dei nervi che raccolgono le informazioni gustative per convogliarle alle vie centrali.
2. Cellule di sostegno: un passaggio intermedio tra cellule basali e gustative.
3. Cellule basali: corrispondenti al compartimento staminale.

Gusto Aspro

La sostanza gustativa di elezione per l'aspro è il protone H⁺, capace di chiudere un canale di leakage intermembrana per il K⁺: l'accumulo dello ione nella cellula causa depolarizzazione e formazione di una corrente elettrotonica comunicata al polo basale. Tale corrente attiva i canali Ca²⁺ v che comportano la fusione delle proteine SNARE e liberazione di glutammato dalle vescicole, stimolando l'afferenza gustativa.

Gusto Salato

La sostanza gustativa di elezione per il salato è lo ione Na⁺ che, penetrato tramite un canale (ENaC) apposito in cellula, la depolarizza portando alla liberazione di glutammato in maniera identica al gusto aspro.

Gusto Dolce

Il gusto dolce è più complesso in quanto codificato da una serie più ampia di molecole, ciascuna delle quali si lega quindi ad un suo recettore specifico; il funzionamento dei recettori è però comune: questi sono accoppiati alla proteina G, gustoducina, che innesca il pathway AC cAMP PK cAMP-dipendente. Questa blocca un canale di leakage per il K⁺, depolarizzando la cellula, apertura dei canali Ca²⁺ v --> fusione delle vescicole e rilascio di glutammato.

Gusto Amaro

Si ritiene che il gusto amaro sia nato, evoluzionisticamente, per comunicare la pericolosità di alcune sostanza per l'organismo se queste vengono ingerite. Le molecole che trasducono l'amaro sono molteplici e sfruttano due meccanismi:

• Inibizione dei canali di leakage del K⁺, come per il gusto aspro.
• Interazione specifica della molecola amara col suo recettore accoppiato alla proteina G, trasducina, la quale attiva il pathway di trasduzione PLC/IP₃; l'IP₃ causa la liberazione di ioni Ca²⁺ dalle riserve intracellulari --> fusione.