1. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
2. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
3. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
4. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
5. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
6. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
7. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ
8. ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

Від нюхової цибулини аксони мітральних і пучкових клітин передають інформацію в первинні нюхові ділянки кори головного мозку, а потім до вищих її ділянки, де формується усвідомлене відчуття запаху, і в лімбічну систему, яка породжує емоційну і мотиваційну реакцію на нюховий сигнал.

Властивості нюхових зон кори головного мозку дозволяють формувати асоціативну пам'ять, яка встановлює зв'язок нового аромату з відбитками сприйнятих раніше нюхових стимулів. Вважають, що процес ідентифікації одоранту включає порівняння виходить відображення з його описом в семантичної пам'яті. У разі збігу відбитку і пам'яті про запах відбувається будь-якої відповідь (емоційний, руховий) організму. Процес цей здійснюється дуже швидко, протягом секунди, і інформація про збіг після відповіді відразу скидається, оскільки мозок готує себе до вирішення наступного завдання сприйняття запаху.

ЗАГАДКИ ЗАПАХІВ

Те, про що говорилося в попередніх розділах, відноситься нехай до найскладнішого, основоположного, але початкового розділу науки про запахи - до їх сприйняття. Чи не розкрито механізм взаємодії нюху з іншими системами сприйняття, наприклад зі смаком (див. "Наука і життя" № 8, 2003 р , С. 16-20). Адже відомо, що якщо людині затиснути ніздрі, то при дегустації навіть добре відомих смакових харчових продуктів (наприклад - кава) він не в змозі точно визначити, що він пробував. Досить розтиснути ніздрі - і смакові відчуття відновлюються.

З молекулярної точки зору поки незрозуміло, в яких одиницях вимірювати інтенсивність запаху і від чого вона залежить, що таке якість запаху, його "букет", чим відрізняється один запах від іншого і як охарактеризувати цю відмінність, що відбувається з запахом при змішуванні різних одорантов. Виявляється, що незалежно від виду одорантов і рівня підготовленості навіть досвідчений експерт не може визначити всі складові суміш компоненти, якщо їх більше трьох. Якщо ж суміш містить більше десяти одорантов, то людина не в змозі ідентифікувати жодного з них.

Залишається ще безліч питань, що стосуються механізмів і видів впливу запахів на емоційне, психічне і фізичне стану людини. Останнім часом на цю тему з'явилося чимало спекуляцій, чому посприяв вийшов в 1985 році роман П. Зюскінда "Парфумер", понад вісім років міцно займав місце в першій десятці бестселерів на західному книжковому ринку. Фантазії на тему надзвичайної сили підсвідомого впливу ароматів на емоційний стан людини забезпечили цього твору величезний успіх.

Однак художній вимисел поступово отримує обгрунтування. Нещодавно в періодичній пресі з'явилися повідомлення про те, що американські військові "парфумери" розробили на рідкість погано пахне бомбу, здатну не тільки викликати огиду, але і розігнати солдатів противника або агресивно налаштований натовп.

Громадські алюзії на парфумерні теми підстьобнули загальний інтерес до мистецтва ароматерапії. Розширилося використання ароматів в громадських місцях, таких, як офіси, торговельні зали, холи готелів. З'явилися навіть спеціальним чином ароматизовані товари, що поліпшують настрій. Виникла така галузь ринкової економіки, як аромамаркетинг - "наука" про залучення клієнтів за допомогою приємних запахів. Так, запах шкіри навіває покупцеві думки про дорогу якісному товарі, аромат кави спонукає до покупок для домашньої вечері і т.д. Яким чином запахи формують в головному мозку сигнали, які спонукають людину здійснювати покупки? Ученим належить зробити ще чимало відкриттів, перш ніж відповісти на це та багато інших питань і відокремити міфи про запахи від реальності.

література

Лозівська Е., канд. фіз.-мат. наук. Штрих-код запаху // Наука і життя, 2004, № 12.

Майоров В. А. Запахи: їх сприйняття, вплив, усунення. - М .: Мир, 2006.

Марголіна А., канд. біол. наук. Солодка влада феромонів // Наука і життя, 2005, № 7.

Шульпин Г., канд. хім. наук. Загадка запаху // Наука і життя, 1978, № 1.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

ВОСПРИЯТИЕ ЗАПАХІВ

Наука і життя // Ілюстрації

Шляхи передачі інформації про запахи в головний мозок.

Схематичне зображення нюхового епітелію. Базальні клітини є клітинами-попередниками нюхових рецепторних нейронів.

Зображення вії нюхового нейрона, зроблене за допомогою флуоресцентного барвника. На мембрані війок розташовані рецепторні білки, які взаємодіють з молекулами одорантов.

Модель молекули нюхового рецепторного білка миші, до якого приєднана молекула одоранту - гексанол (пурпурного кольору).

Одна з моделей процесу перетворення сигналу всередині вії нюхового нейрона.

Схематичне зображення комбінаторних рецепторних кодів одорантов.

Електроольфактограмма (ЕОГ) - електричний коливальний сигнал, який реєструється спеціальним електродом з ділянки зовнішньої поверхні нюхового епітелію пацюка.

<

>

Трохи більше чверті століття назад в журналі "Наука і життя" (№ 1, 1978 г.) була опублікована стаття "Загадка запаху". Її автор, кандидат хімічних наук Г. Шульпин, справедливо зазначав, що сучасне йому стан науки про запахи приблизно таке ж, як стан органічної хімії в 1835 році. Тоді один із зачинателів цієї науки, Ф. Велер, писав, що органічна хімія представляється йому дрімучим лісом, з якого неможливо вибратися. Але вже через чверть століття А. М. Бутлеров, створивши теорію хімічної будови речовини, зумів "вибратися з гущавини". Шульпин висловлював упевненість, що загадка запаху буде вирішена чи не швидше, ніж в разі органічної хімії.

І він мав рацію на всі 100%! Останнім часом стався справжній прорив в розумінні молекулярних основ нюху. Розберемо основні стадії сприйняття запахів в світлі сучасних уявлень.

ЯК СПРИЙМАЄТЬСЯ ЗАПАХ

Проробимо простий досвід. Візьмемо флакон з пахучої рідиною, наприклад духами, відкриємо пробку і понюхаємо вміст в спокійному ритмі дихання. Легко виявити, що ми відчуваємо запах тільки під час вдиху; починається видих - запах зникає.

При вдиху через ніс повітря разом з молекулами пахучої речовини (званого нюхових стимулом або одорантом) проходить в кожній з двох носових порожнин по щелевидная каналу складної конфігурації, який утворений поздовжньої носовою перегородкою і трьома носовими раковинами. Тут повітря очищається від пилу, зволожується і нагрівається. Потім частина повітря надходить в розташовану у верхній задній зоні каналу нюхову область, що має вигляд щілини, покритої нюховим епітелієм.

Загальна поверхня, яку займає епітелієм в обох половинках носа дорослої людини, невелика - 2 - 4 см2 (у кролика ця величина дорівнює 7-10 см2, у собак - 27 - 200 см2). Епітелій покритий шаром нюхової слизу і містить три типи первинних клітин: нюхові рецептори, опорні і базальні клітини. Ваблені повітрям пахучі молекули проникають в носову порожнину і переносяться над поверхнею епітелію. При нормальному спокійному диханні поблизу нюхового епітелію проходить 7 -10% вдихуваного повітря. Нюховий епітелій має товщину приблизно 150-300 мкм. Він покритий шаром слизу (10-50 мкм), який молекулам одоранту належить подолати, перш ніж вони провзаимодействует зі спеціальними сенсорними нейронами - нюховими рецепторами.

Основна функція рецептора полягає у виділенні, кодуванні і передачі інформації про інтенсивність, як і тривалості запаху в нюхову цибулину і спеціальним центрам в головному мозку. Епітелій в обох носових порожнинах у людини містить приблизно 10 млн нюхових нейронів (у кролика - близько 100 млн, а у німецької вівчарки - до 225 млн).

Як відомо, нейрон складається з тіла і відростків: аксонів і дендритів. Нервовий імпульс з однієї нервової клітини на іншу передається з аксона на дендрит. Діаметр потовщеною центральній частині нюхового нейрона (соми) 5-10 мкм. Дендритна частина у вигляді волокнистих відростків діаметром 1-2 мкм виходить до зовнішньої поверхні епітелію. Тут дендрити закінчуються потовщенням, від якого відходить пучок з 6-12 війок (цілій) діаметром 0,2-0,3 мкм і довжиною до 200 мкм, занурений всередину шару слизу (у кролика число війок в одному рецепторном нейроне становить 30-60, а у собак сягає 100-150). Відходить від соми нервове волокно (аксон) має діаметр близько 0,2 мкм і виходить до внутрішньої поверхні епітелію. Тут аксони від сусідніх нейронів об'єднуються в джгути (філи), які доходять до нюхової цибулини.

Семіотика НЮХУ

Для того щоб нюховий сигнал був сприйнятий нейроном, молекула одоранту зв'язується зі спеціальною білковою структурою, розташований ної в нейрональної клітинній мембрані. Така структура називається рецепторним білком. Використовуючи методи молекулярної біології, американські вчені Лінда Бак і Річард Аксель в 1991 році встановили, що нюхові нейрони у ссавців містять близько 1000 різних видів рецепторних білків (у людини їх менше - близько 350). Визнанням важливості цього відкриття стало присудження їм в 2004 році Нобелівської премії за дослідження в області фізіології і медицини (див. "Наука і життя" № 12, 2004 р).

Яким чином рецептори розподіляються по нейронам: чи є окремі представники цього сімейства у всіх нюхових нейронах або кожен нейрон несе на своїй мембрані тільки один вид рецепторного білка? Як може мозок визначити, який з 1000 типів рецепторів подав сигнал? Наявні дані дозволяють зробити висновок про те, що на одному нейроні присутній тільки нюховий рецепторний білок одного виду. Нейрони з різними рецепторами володіють різною функціональністю, тобто в епітелії є тисячі різних типів нейронів. У цьому випадку проблема ідентифікації активованого запахом окремого рецептора зводиться до задачі виявлення подав сигнал нейрона.

Беручи до уваги, що загальне число нюхових нейронів у людини близько 10 млн, число нюхових рецепторів одного типу обчислюється в середньому десятками тисяч.

Нюхова система використовує комбінаторних схему для ідентифікації одорантов і кодування сигналу. Відповідно до неї один тип нюхових рецепторів активується безліччю одорантов і один одорант активує безліч типів рецепторів. Різні одоранти кодуються різними комбінаціями нюхових рецепторів, причому збільшення концентрації стимулу призводить до зростання числа активованих рецепторів і до ускладнення його рецепторного коду. У цій схемі кожен рецептор виступає в якості одного з компонентів комбинаторного рецепторного коду для багатьох одорантов і як би виконує роль літери своєрідного алфавіту, з сукупності яких складаються відповідні слова-запахи.

Мінімальні структурні відмінності молекул одорантов, наприклад, по функціональній групі, по довжині вуглецевого ланцюга, по просторовій структурі призводять до різного рецепторному коду. Для відмітної ознаки молекули одоранту, здатного змінити кодування запаху, був запропонований термін "одотоп" (odotope), або детермінант запаху. Різні нюхові рецептори, які розпізнають один і той же одорант, можуть ідентифікувати різні його ознаки-одотопи. Одиночний нюховий рецептор здатний "розрізняти" молекули, що відрізняються довжиною вуглецевого ланцюжка всього лише на один атом вуглецю, або молекули, які мають однакову довжину вуглецевої ланцюжка, але відрізняються функціональною групою. З огляду на, що в епітелії ссавців є приблизно 1000 видів нюхових рецепторів, можна вважати, що така комбінаторна схема дозволяє розрізнити величезне число одорантов (навіть людина розрізняє до 10 000 запахів).

Отримані останнім часом результати експериментальних досліджень властивостей нюхових рецепторних білків дозволили створити на молекулярному рівні структурну модель спіральної молекули нюхового білка. Нюхові рецепторні білки належать до суперсімейство мембранозв рецепторів. Вони перетинають двошарову ліпідну мембрану вії сім разів. У містить 300-350 амінокислот молекули рецепторного білка три зовнішні петлі з'єднуються з трьома внутрішньоклітинними петлями сім'ю перетинають мембрану трансмембранними ділянками.

НЕОБХІДНА слизу

Знаходяться в потоці повітря молекули одоранту, перед тим як досягти нюхових рецепторних нейронів, повинні перетнути Обволікаючи ющий поверхню нюхового епітелію шар слизу. Фізіологічні функції шару слизу повністю досі не з'ясовані. Можна не сумніватися, що вона створює гидрофильную оболонку для чутливих і тендітних нюхових рецепторів, виконуючи захисну функцію. Адже систему сприйняття сигналу потрібно захистити від впливу зовнішнього середовища, тобто від молекул одорантов, серед яких можуть бути досить небезпечні і хімічно активні речовини.

Шар слизу складається з двох підшарів. Зовнішній, водний, має товщину приблизно 5 мкм, а внутрішній, більш в'язкий, - близько 30 мкм. Вії-ціліі спрямовані похило до зовнішньої поверхні шару слизу. Вони утворюють свого роду сітку з нерегулярними осередками, причому ця сітка розміщена біля поверхні розділу підшарів так, що основна частина поверхні вій (близько 85%) виявляється розташований ної поблизу кордону розділу.

Шар слизу містить різноманітні розчинні у воді білки, значну частину яких складають так звані глікопротеїни. Завдяки розгалуженій молекулярній структурі ці білки здатні зв'язувати і утримувати молекули води, утворюючи гель.

Інші види білків, що містяться в слизу, взаємодіють з молекулами одорантов і тим самим можуть впливати на сприйняття і розпізнавання запахів. Ці білки поділяються на два основні класи - одорант-зв'язуючі білки (OBP) і одорант-руйнують ферменти.

ОВР відносяться до сімейства білків, що мають складчасту бочкообразную структуру з внутрішньої глибокої порожниною, в яку потрапляють маленькі молекули гідрофільних (жиророзчинних) одорантов. Різні підвиди цих білків відрізняються високою вибірковістю взаємодії з одорантами різних хімічних класів.

Вважають, що OBP сприяють розчиненню одоранту і транспортують його молекули крізь шар слизу, діють як фільтр для поділу одорантов, можуть полегшувати зв'язування одоранту з рецепторним білком і навіть очищати околорецепторное простір від непотрібних компонентів.

Крім одорант-зв'язуючих білків у слизу нюхового епітелію поблизу рецепторних нейронів виявлено кілька видів одорант-руйнують ферментів. Всі ці ферменти запускають реакції перетворення молекул одорантов в інші сполуки. Утворені в результаті цих реакцій продукти також вносять свій внесок у сприйняття запаху. В кінцевому підсумку все надходять в шар слизу молекули одорантов швидко, практично одночасно із завершенням вдиху, втрачають свою "запаховую" активність. Так що нюхова система при кожному вдиху отримує нову інформацію від свіжих порцій одоранту.

Нюх НА РІВНІ МОЛЕКУЛ

Багато властивостей системи сприйняття запахів можна пояснити на молекулярному рівні. Молекула одоранту зустрічає на поверхні слизу, що покриває нюховий епітелій, молекулу одорант-зв'язуючого білка, яка пов'язує і переносить молекулу одоранту через шар слизу до поверхні вії нюхового нейрона. У віях здійснюється основний процес передачі нюхового сигналу. Його механізм досить типовий для багатьох видів взаємодій фізіологічно активних речовин з рецепторами нервових клітин.

Молекула одоранту прикріплюється до певного нюхової рецептора (R). Між процесом зв'язування молекули одоранту з рецептором і передачею нюхового сигналу в нервову систему лежить складний каскад біохімічних реакцій, що проходять в нейроні. Зв'язування молекули одоранту з рецепторним білком активує так званий G-білок, розташований на внутрішній стороні клітинної мембрани. G-білок в свою чергу активує аденілатциклазу (AC) - фермент, що перетворює внутрішньоклітинний аденозинтрифосфат (ATP) в циклічний аденозинмонофосфат (cAMP). А вже cAMP активує інший мембранозв білок, який називається іонним каналом, оскільки відкриває і закриває вхід заряджених частинок всередину клітини. Коли іонний канал відкритий, в клітку проникають катіони металів. Таким способом змінюється електричний потенціал клітинної мембрани і генерується електричний імпульс, що передає сигнал з одного нейрона на інший.

Кілька молекулярних стадій передачі внутрішньоклітинного сигналу забезпечують його посилення, в результаті чого невеликого числа молекул одоранту стає досить для генерування нейроном електричного імпульсу. Такі підсилювальні каскади забезпечують більшу чутливість системи сприйняття запахів.

Отже, активація рецепторного білка молекулою одоранту в кінцевому рахунку призводить до генерування електричного струму в нюховому рецепторном нейроне. Струм поширюється по дендрити нейрона в його соматичну частина, де збуджує вихідний електричний імпульс. Цей імпульс передається по нейрональная аксону в нюхову цибулину.

Одиночний електричний сигнал-імпульс на виході має тривалість не більше 5 мс і пікову амплітуду близько 100 мкв. Майже всі нейрони генерують імпульси і при відсутності впливу одоранту, тобто мають спонтанної активністю, званої біологічним шумом. Частота цих імпульсів змінюється в діапазоні від 0,07 до 1,8 імпульсу в секунду.

цибулинні нейромереж

Нюхові рецепторні нейрони розпізнають величезне число різноманітних молекул пахучих речовин і посилають інформацію про них через аксони в нюхову цибулину, що служить першим центром обробки нюхової інформації в головному мозку. Парні нюхові цибулини є довгасті освіти "на ніжках". Звідси починається шлях нюхового сигналу до півкуль мозку. Аксони нюхових нейронів закінчуються в нюхової цибулини розгалуженнями в сферичних концентраторах (діаметром 100-200 мкм), званих гломеруламі. У гломерулах здійснюється контакт між закінченнями аксонів нюхових нейронів і дендритами нейронів другого порядку, якими є мітральні і пучкові клітини.

Мітральні клітини - найбільші нервові клітини, що виходять з нюхової цибулини. Пучкові клітини менше мітральних, але функціонально з ними схожі. Подання про кількість нервових клітин у ссавців можуть дати характеристики нюхової системи кролика. У ній є по 50 мільйонів нюхових рецепторних нейронів справа і зліва (рівно в десять разів більше, ніж у людини). Аксони нюхових рецепторів розподілені між 1900 гломеруламі нюхової цибулини - приблизно по 26 000 аксонів на гломерули. Дендритні закінчення 45 000 мітральних і 130 000 пучкових клітин отримують сигнали від аксонів в гломерулах і передають їх з нюхової цибулини в центри нюху в головному мозку. Близько 24 мітральних і 70 пучкових клітин отримують інформацію від аксонів в кожній гломерули. У людини близько 10 млн аксонів нюхових нейронів розподіляються по 2000 гломерул нюхової цибулини.

Все аксони однієї популяції нюхових нейронів сходяться на дві гломерули, дзеркально розташовані по різні боки двовимірного поверхневого шару нюхової цибулини. Залежно від змісту переданого сигналу гломерули активуються по-різному. Сукупність активованих гломерул називається картою запаху і представляє свого роду "зліпок" запаху, тобто вона показує, з яких пахучих речовин складається сприймається нюховий об'єкт.

Механізм активації гломерул досі не з'ясовано. Зусилля дослідників направлені на те, щоб з'ясувати, яким чином різноманіття одорантов відтворюється в двовимірному шарі гломерул на поверхні нюхової цибулини. До речі, ці відображення мають динамічний характер - вони постійно змінюються в ході сприйняття запаху, ускладнюючи наукову задачу.

Нюхова цибулина - це велика багатошарова нейросеть для просторово-часової обробки відображення запаху в гломерулах. Її можна розглядати як сукупність безлічі мікросхем з великою кількістю зв'язків, із взаємною активацією і пригніченням активності нейронів. Що Їх нейронами операції виділяють характерні властивості карти запаху.

Від нюхової цибулини аксони мітральних і пучкових клітин передають інформацію в первинні нюхові ділянки кори головного мозку, а потім до вищих її ділянки, де формується усвідомлене відчуття запаху, і в лімбічну систему, яка породжує емоційну і мотиваційну реакцію на нюховий сигнал.

Властивості нюхових зон кори головного мозку дозволяють формувати асоціативну пам'ять, яка встановлює зв'язок нового аромату з відбитками сприйнятих раніше нюхових стимулів. Вважають, що процес ідентифікації одоранту включає порівняння виходить відображення з його описом в семантичної пам'яті. У разі збігу відбитку і пам'яті про запах відбувається будь-якої відповідь (емоційний, руховий) організму. Процес цей здійснюється дуже швидко, протягом секунди, і інформація про збіг після відповіді відразу скидається, оскільки мозок готує себе до вирішення наступного завдання сприйняття запаху.

ЗАГАДКИ ЗАПАХІВ

Те, про що говорилося в попередніх розділах, відноситься нехай до найскладнішого, основоположного, але початкового розділу науки про запахи - до їх сприйняття. Чи не розкрито механізм взаємодії нюху з іншими системами сприйняття, наприклад зі смаком (див. "Наука і життя" № 8, 2003 р , С. 16-20). Адже відомо, що якщо людині затиснути ніздрі, то при дегустації навіть добре відомих смакових харчових продуктів (наприклад - кава) він не в змозі точно визначити, що він пробував. Досить розтиснути ніздрі - і смакові відчуття відновлюються.

З молекулярної точки зору поки незрозуміло, в яких одиницях вимірювати інтенсивність запаху і від чого вона залежить, що таке якість запаху, його "букет", чим відрізняється один запах від іншого і як охарактеризувати цю відмінність, що відбувається з запахом при змішуванні різних одорантов. Виявляється, що незалежно від виду одорантов і рівня підготовленості навіть досвідчений експерт не може визначити всі складові суміш компоненти, якщо їх більше трьох. Якщо ж суміш містить більше десяти одорантов, то людина не в змозі ідентифікувати жодного з них.

Залишається ще безліч питань, що стосуються механізмів і видів впливу запахів на емоційне, психічне і фізичне стану людини. Останнім часом на цю тему з'явилося чимало спекуляцій, чому посприяв вийшов в 1985 році роман П. Зюскінда "Парфумер", понад вісім років міцно займав місце в першій десятці бестселерів на західному книжковому ринку. Фантазії на тему надзвичайної сили підсвідомого впливу ароматів на емоційний стан людини забезпечили цього твору величезний успіх.

Однак художній вимисел поступово отримує обгрунтування. Нещодавно в періодичній пресі з'явилися повідомлення про те, що американські військові "парфумери" розробили на рідкість погано пахне бомбу, здатну не тільки викликати огиду, але і розігнати солдатів противника або агресивно налаштований натовп.

Громадські алюзії на парфумерні теми підстьобнули загальний інтерес до мистецтва ароматерапії. Розширилося використання ароматів в громадських місцях, таких, як офіси, торговельні зали, холи готелів. З'явилися навіть спеціальним чином ароматизовані товари, що поліпшують настрій. Виникла така галузь ринкової економіки, як аромамаркетинг - "наука" про залучення клієнтів за допомогою приємних запахів. Так, запах шкіри навіває покупцеві думки про дорогу якісному товарі, аромат кави спонукає до покупок для домашньої вечері і т.д. Яким чином запахи формують в головному мозку сигнали, які спонукають людину здійснювати покупки? Ученим належить зробити ще чимало відкриттів, перш ніж відповісти на це та багато інших питань і відокремити міфи про запахи від реальності.

література

Лозівська Е., канд. фіз.-мат. наук. Штрих-код запаху // Наука і життя, 2004, № 12.

Майоров В. А. Запахи: їх сприйняття, вплив, усунення. - М .: Мир, 2006.

Марголіна А., канд. біол. наук. Солодка влада феромонів // Наука і життя, 2005, № 7.

Шульпин Г., канд. хім. наук. Загадка запаху // Наука і життя, 1978, № 1.