Lugt af pattedyr - pattedyrs opfattelse af tilstedeværelsen af flygtige stoffer i luften , manifesteret i dannelsen af en specifik fornemmelse ( lugtfornemmelse ), lugtanalyse og dannelsen af subjektive fornemmelser , på grundlag af hvilke dyret reagerer til ændringer, der sker i omverdenen . For denne proces hos pattedyr er olfaktorisk analysator ansvarlig , som opstod på et tidligt tidspunkt i udviklingen af chordater [1] [2] .
Lugtmodtagelse består af påvisning af et lugtende stof ved hjælp af olfaktoriske kemoreceptorer , overførsel af olfaktorisk information til centralnervesystemet og dets behandling af strukturerne i telencephalon . Det giver en række adaptive adfærdsmæssige reaktioner : mad, seksuel, defensiv, forskning [3] .
Hos de fleste pattedyr er lugtanalysatoren repræsenteret af to sensoriske systemer; disse er det primære olfaktoriske system og det yderligere olfaktoriske system . Hver af dem omfatter tre dele: en perifer del (lugteorganer ), en mellemliggende del (giver transmission af nerveimpulser og består af en kæde af interkalære neuroner ) og en central del (olfaktoriske centre i hjernebarken ). Samtidig er det primære lugteorgan repræsenteret af den olfaktoriske region - et begrænset område af epitelet i næsehulen , og det yderligere olfaktoriske organ - af Jacobson-organet (et andet navn: vomeronasalt organ ), som er et lukket hulrum, der kommunikerer med mundhulen [2] .
Lugteorganerne hos pattedyr er mere udviklede end hos andre landlevende hvirveldyr og spiller en meget vigtig rolle i deres liv. Evnen til at skelne lugte bruges af pattedyr til orientering i rummet, når de søger efter føde, inden for rammerne af interspecifikke og intraspecifikke kontakter [4] . Betydningen af lugtesansen for pattedyr fremgår også af det faktum, at den mest omfattende familie af gener i deres genom er dannet af generne, der koder for proteiner fra lugtereceptorer [5] . Lugtesansen spiller også en rolle i pattedyrs ernæring: behagelige lugte udløser udskillelsen af spyt og mavesaft , og ubehagelige lugte advarer om potentiel skade (for eksempel den ubehagelige lugt af fordærvet mad) [6] .
Efter graden af udvikling af lugtefunktionen opdeles pattedyr i to grupper: makrosmatter med en usædvanlig akut lugtesans (de fleste pattedyr) og mikrosmatter med en moderat udviklet lugtesans ( primater , hvaler , pinnipeds ) [7] .
Forskellen mellem disse grupper ses tydeligt, når man sammenligner graden af udvikling af lugtesansen hos mennesker og hunde . Hvis en menneskelig næse har omkring 6 millioner olfaktoriske celler, så har en hund omkring 225 millioner [8] . Mange makrosmatter lugter på flere hundrede meters afstand og er i stand til at finde fødegenstande under jorden [9] . Det er en velkendt praksis at søge efter trøfler , der vokser i skoven under jorden , ved hjælp af specialtrænede eftersøgningshunde og grise , som er i stand til at lugte trøfler under jorden i en afstand på op til 20 m [10] .
Graden af udvikling af lugtesansen korrelerer generelt med antallet af gener, der koder for forskellige typer af funktionelle lugtereceptorproteiner . Makrosmater har normalt mere end 1000 af dem, mange primater har omkring 500, mennesker har kun 387 (ca. 1-2% af genomet [11] ), og næbdyr har 262 [12] . Tilsyneladende er lugtesansen den værst udviklede hos hvaler; de har også den højeste procentdel af olfaktoriske receptor- pseudogener [13] .
Olfaktoriske organer hos pattedyr er placeret i den bageste øvre del af næsehulen , hvor der opstår et meget komplekst system af lugtturbinater - tynde knogleblade rettet inde i hulrummet og dækket med lugteepitel , som er meget komplekst, især i makromata . I turbinaterne finder ikke kun lugtanalysen af den indåndede luft sted, men også dens opvarmning, før den kommer ind i lungerne. Blandt moderne arter af tetrapoder findes olfaktoriske skaller kun hos pattedyr, samt hos nogle få fuglearter , hvor disse skaller opstod selvstændigt [14] . Lugteepitelet indeholder olfaktoriske receptorceller , støtteceller , der udskiller slim og ligner gliaceller i egenskaber , samt basalceller, der ligesom stamceller er i stand til at dele sig og give anledning til nye funktionelle neuroner gennem hele levetiden. dyr. Størrelsen af lugteepitelet hos pattedyr varierer fra 2-4 cm² (menneske) og 9,3 cm² (kanin) til 18 cm² (hund) og 21 cm² (huskat). Disse værdier giver dog ikke en ide om lugtens skarphed, fordi de ikke tager højde for antallet af olfaktoriske receptorer pr. overfladeenhed. De lugtereceptorer er i stand til at fange molekylerne af lugtende stoffer indeholdt i den indåndede luft. Ligesom smagsreceptorer er de klassificeret som kemoreceptorer . Signaler om tilstedeværelsen af lugtestoffer overføres gennem lugtenerven til det tilsvarende center af hjerne- olfaktoriske pære eller primære lugtecentre i hjernebarken . Fra sidstnævnte overføres olfaktoriske signaler til hypothalamus , limbiske system , retikulær dannelse og neocortex [7] [6] [15] .
De fleste pattedyr beholder Jacobsons organ som en separat del af lugtekapslen. Dette organ, som også findes i lungefisk og de fleste tetrapoder (de vigtigste undtagelser er fugle og krokodiller ), tjener hovedsageligt til opfattelsen af feromoner . Hos repræsentanter for en række grupper ( hvaler , sirener , de fleste flagermus og smalnæsede primater , inklusive mennesker ), er Jacobson-organet rudimentært eller helt tabt [16] [17] [18] .
Det vomeronasale organ er foret med lugteepitel, svarende til det, der dækker næsens turbinater. Olfaktoriske receptorceller fornyes hele livet og understøttes af epitel- og basalceller, men i stedet for cilia har de mikrovilli (microvilli). Receptormolekyler er også repræsenteret af GPCR'er, men deres aminosyresekvens har intet at gøre med turbinatreceptorer. GPCR'erne af det vomeronasale organ er repræsenteret af to forskellige familier, der hver indeholder 100 til 200 gener og udviklet uafhængigt. Medlemmer af en af disse familier har et langt ekstracellulært N-terminalt domæne svarende til den metabotropiske glutamatreceptor . Den anden budbringer her er ikke cAMP, som i de nasale turbinater, men inositoltrifosfat. Afferente fibre fra det vomeronasale epitel rager ind i den aksessoriske lugteløg, som hos de fleste mennesker er placeret bagved den primære lugteløg. Ligesom næsens lugteepitel er det vomeronasale epitel også opdelt i zoner: forskellige G-proteiner udtrykkes i de apikale og basale dele af organet. Disse zoner er også bevaret i fremspring ind i den ekstra olfaktoriske pære: den apikale zone af epitelet projiceres ind i den forreste zone af pæren, og den basale zone ind i den bageste. Glomeruli i den ekstra pære er mindre udtalte end i den vigtigste. Også i stedet for et rumligt kort over hovedpæren er repræsentationen af den supplerende pære mere kompleks og flisebelagt. Tilbehørspæren har ingen fremspring til cortex og er kun forbundet med det limbiske system: med amygdala og hypothalamus kerner, som spiller en vigtig rolle i seksuel adfærd. Måske reagerer den ekstra pære kun på specifikke artsspecifikke kombinationer af stoffer af det tilsvarende feromon og ignorerer simpelthen alle andre [19] .
Olfaktoriske receptorer ( olfaktoriske celler ) er bipolære neuroner med en enkelt ikke-forgrenende dendrit. Det passerer mellem basalcellerne og ender i en lille hævelses- lugtklub . Der kommer op til 20 lange flimmerhår ud af den, som repræsenterer lugtecellens sensoriske overflade. De er normalt nedsænket i et lag af slim, der dækker epitelet og danner en tæt matrix med det. Lugtcellen har en dobbelt funktion: opfattelse af en stimulus og transmission af en nerveimpuls til hjernen , derfor er den en neurosensorisk celle (sensorisk neuron). Axoner , der udfører signaltransmission til centralnervesystemet, samles i bundter med lugtfilamenter . Olfaktoriske neuroner er i stand til at erstatte ved at dele basalceller [20] [21] .
Slimet, som lugteflimmerhårene ligger i, indeholder en stor mængde mellemstore (20 kDa) proteiner , som udskilles af næsekirtlerne og findes i slimet, der ikke kun dækker lugteepitelet, men også rent respiratorisk. Disse proteiner binder sandsynligvis meget ikke-selektivt til molekyler af lugtstoffer (lugtstoffer) og sikrer deres interaktion med receptorceller [20] .
De olfaktoriske cilia adskiller sig ikke i ultrastruktur fra andre cilia og indeholder et almindeligt ikke-bevægeligt aksonem . Olfaktoriske cilia er meget lange og tynde: med en længde på 5 til 250 mikron når de kun 100-250 nm i diameter . De samles i bundter på 5-40 og kommer frem fra lugtecellens kølle og øger dens sanseoverflade. Receptorproteiner er placeret på overfladen af cilia. Hvert gen fra familien af gener, der koder for sådanne proteiner, koder for en bestemt variation af dem, og på cilia af en olfaktorisk celle er der olfaktoriske proteiner af kun en sort; ikke alle gener i denne familie kan dog udtrykkes (for eksempel er omkring 40% af disse gener udtrykt i mennesker). I lang tid forblev det uklart, om cilium reagerer på mange typer lugtstoffer eller kun én [11] . Nu er det imidlertid blevet fastslået, at olfaktoriske celler af én type er specifikke for en specifik snæver klasse af kemiske forbindelser , da de genkender særlige strukturelle motiver i dem [14] [21] .
Uanset specificitet er følsomheden af olfaktoriske celler meget høj: de er i stand til at registrere stoffer i koncentrationer fra 10 -4 M til 10 -13 M. Ved forkølelse falder følsomheden på grund af, at cilia er nedsænket i for tykke et lag slim [11] .
Ud over de lugteceller , der er knyttet til lugtenerven, er der også frie ender af trigeminusnerven i næseslimhinden ; de er i stand til at reagere på nogle aggressive lugte, såsom syre- eller ammoniakdampe [ 21] .
Ledningen af en olfaktorisk stimulus begynder som følger. Det lugtende stof binder sig til en receptor i lugtecellens membran. Den olfaktoriske receptor er en G -proteinkoblet receptor og indeholder som alle GPCR'er 7 domæner . I modsætning til andre receptorer i GPCR-superfamilien er olfaktoriske receptorer karakteriseret ved en stor aminosyrediversitet i transmembrane domæner 3, 4 og især 5. Derudover adskiller olfaktoriske receptorer sig fra andre GPCR'er i mindre specificitet: de har bl.a. en eller anden grad affinitet til en række stereokemisk lignende lugtstoffer. Små ændringer i lugtstoffets kemiske struktur kan dog svare til en ændring i sættet af stimulerede receptorer og en ændring i subjektiv opfattelse. Udskiftningen af hydroxylgruppen af octanol med en carboxyl fører således til en betydelig ændring i lugteopfattelsen: i stedet for en lugt, der minder om en appelsin , er der en lugt af harskhed og sved. Derudover kan antallet af stimulerede receptorer og subjektiv opfattelse afhænge af koncentrationen af lugtstoffet. For eksempel har indol ved lave koncentrationer en behagelig blomsteraroma, mens det ved høje koncentrationer har en modbydelig, rådden lugt [22] .
Binding af lugtstoffet til receptoren aktiverer Gs - proteinet , som aktiverer enzymet adenylatcyclase , som et resultat af hvilket GTP nedbrydes til fosfat og GDP . Adenylatcyclase omdanner ATP til cAMP , som binder sig til en cyklonukleotidafhængig kationkanal i membranen og åbner strømmen af Na + og Ca 2+ ioner ind i lugtecellen og udløser derved et aktionspotentiale i den, som derefter overføres til afferent neuroner [21] . Nogle gange aktiverer olfaktoriske receptorer dog ikke adenylatcyclase, men phospholipase og ikke cAMP, men inositoltriphosphat og diacylglycerol , fungerer som en sekundær budbringer . Derudover er det muligt, at der i lugtecellerne på grund af aktiveringen af NO-syntase af calcium dannes NO , hvilket fører til dannelsen af cGMP [23] .
Cyklonukleotid-gatede kanaler har seks hydrofobe segmenter og ligner strukturelt spændingsstyrede ionkanaler . Forskellen ligger i tilstedeværelsen af et stort C-terminalt cytoplasmatisk domæne i cyclonukleotidafhængige kanaler , som binder til sekundære budbringere. Der er 2400 kanaler/µm² på cilia (der er kun 6 kanaler/µm² på olfaktorisk kølle og dendrit. I fravær af calcium er cyclonukleotidafhængige kanaler permeable for alle monovalente kationer : Na + > K + > Li + > Rb + > Cs + Under påvirkning af en lugtstof ændres ionstrømme gennem cyclonukleotidafhængige kanaler, hvilket fører til depolarisering af cellemembranen og udløser aktionspotentialet [24] .
Olfaktoriske celler af samme type transmitterer deres signaler til den samme glomerulus lugteløget, og den rumlige organisation af sidstnævnte gentager topografisk placeringen af receptorer på overfladen af lugteskallen [14] . Det skal bemærkes, at en lugtreceptor kan exciteres af et lugtmolekyle [25] .
I 2004 modtog Linda Buck og Richard Axel Nobelprisen i fysiologi eller medicin for deres forskning i pattedyrs olfaktoriske receptorer [26] ; det var dem, der etablerede den kemiske natur af olfaktoriske receptorproteiner, gav et skøn over antallet af gener i pattedyrsgenomet, der koder for disse proteiner, og underbyggede reglerne for, at en olfaktorisk celle udtrykker en type olfaktoriske receptorproteiner, og en og den samme er ansvarlig for signalbehandling af alle olfaktoriske celler af samme type, den samme glomerulus i olfaktoriske pæren [27] [28] .
Det er interessant, at de cyklonukleotidafhængige kanaler i de olfaktoriske cilia ikke er desensibiliserede , dvs. de mister ikke følsomhed ved gentagen præsentation af lugtstoffet. Men i lugtecellerne sker der tilpasning. Dette skyldes sandsynligvis indtrængen af Ca 2+ ioner i cellen , som enten direkte eller gennem aktivering af calmodulin fører til lukning af ionkanaler og derudover desensibiliserer GPCR [29] .
Derudover er responsen på en lugtstimulus gradvis, dvs. en større koncentration af et lugtstof svarer til en større respons. Dette skyldes det faktum, at cAMP øger eller mindsker antallet af åbne cyclonukleotidafhængige kanaler. En hurtig reaktion er påkrævet for effektivt at skelne mellem signaler i realtid. Det er blevet vist, at toppen af cAMP-dannelsen indtræffer 40-75 ms efter eksponering for et lugtende stof og falder til nul efter 100-500 ms. G-proteinkaskaden forstærker signalet, på grund af hvilken en puls af lugtstoffet aktiverer mange kanaler. Imidlertid er kanalernes kinetik ret langsom, og den åbne tilstand kan halte flere millisekunder efter cAMP-pulsen. Med langvarig aktivering af GPCR-lugtstoffer opretholder cAMP-impulser cyklonukleotidafhængige kanaler i en permanent åben tilstand [29] .
I modsætning til andre sensoriske systemer ( visuelt , auditivt , somatosensorisk og i mindre grad gustatorisk ), hvor det sensoriske epitel registrerer rumlig information, er "mapping"-funktionen af lugteepitelet ikke så udtalt. Ikke desto mindre indeholder den rudimenterne for rumlig organisering. Kortlægning med 2-deoxyglucose , som gør det muligt at identificere aktive celler, viste, at der er grupper af celler i lugteepitelet forbundet med bestemte lugte. Så butanol exciterer cellerne i den forreste region, og limonen aktiverer cellerne i den bageste slimhinde. Derudover er det for nylig blevet vist, at receptorceller er organiseret i anterior-posteriore bånd (såkaldte ekspressionszoner ), som hver indeholder et komplet sæt celler. Der ser ud til at være 3 ikke-overlappende udtrykszoner, der overlapper med en mindre, fjerde zone [30] .
Axonerne af de olfaktoriske bipolære celler er kombineret i flere snesevis af bundter, som hver indeholder flere hundrede eller tusinder af fibre. De trænger ind i kraniehulen gennem åbningerne af ethmoidknoglen og kombineres til lugtnerver . Enderne af de primære olfaktoriske celler danner synapser med dendritterne af olfaktorernes celler. Hver sådan celle ( mitralcelle ), som er en andenordens sensorisk neuron, modtager signaler fra omkring 1000 axoner af primære sanseceller, dvs. omkring 1000 olfaktoriske axoner konvergerer på forgreningerne af den apikale dendrit af en mitralcelle . Omkring 25 af disse dendritter danner sammen med terminalerne sfæriske formationer - glomeruli . Omkring 2500 olfaktoriske axoner konvergerer på en glomerulus, og der er omkring 2000 glomeruli i kaninens olfaktoriske løg. Mitralceller er karakteriseret ved rytmisk aktivitet på grund af indånding af lugtende stoffer. Lokale interneuroner af olfaktoriske løg (periglomerulære celler placeret mellem glomeruli og granulære celler under mitralcellerne) er i stand til at kontrastere de modtagne signaler. De efferente stier af den modsatte olfaktoriske pære, limbiske strukturer og den retikulære dannelse af hjernen ender på disse celler . Systemet med synaptiske kontakter i lugteløget er ekstremt komplekst, ligesom dets kemi er: omkring et dusin neurotransmittere er blevet identificeret i det , blandt hvilke er acetylcholin , dopamin , GABA og adskillige neuropeptider [31] .
Mitralcellernes axoner danner en lugtekanal, der fører til lugtecentrene af en højere orden, som, opdelt i flere dele, ender ved de limbiske strukturer i forhjernen: den forreste lugtekerne , septum, piriform og parahippocampus gyrus . Fra disse strukturer kommer information ind i hippocampus , amygdala , orbitofrontal cortex (direkte eller gennem thalamus ), og den retikulære dannelse af mellemhjernen [32] [6] .
Genkendelse af en bestemt lugt er resultatet af en kombination af receptorer og hjernen, som et resultat af hvilken den præsenteres som en kombination af "primære lugte". I overensstemmelse med Moncrieff-Aymours stereokemiske lugtteori [33] har en person et syv-komponent lugtgenkendelsessystem baseret på skelnen mellem syv primære lugte: moskus, kamfer, blomster, æterisk, mynte, kaustisk og rådden (stoffer, der tilhører til samme gruppe er ens i stereomodellen ) [34] [35] .
Hos mennesker har genetisk analyse afsløret flere dusin specifikke anosmia - lidelser i lugtesystemet, manifesteret i manglende evne til at skelne visse lugte. For eksempel opstår manglende evne til at opdage lugten af cyanid med en frekvens på 1:10, og butylmercaptan (det lugtende stof fra en skunk ) - 1:1000. Sandsynligvis skyldes anosmi defekter i specifikke olfaktoriske receptorer. Mange anosmier viser Mendelsk arv , men genetikken bag anosmier er dårligt forstået [29] .