علم الأعصاب الشمي في إعادة التأهيل العصبي: كيف يشفّر الدماغ الروائح؟

يعرض عالم النفس العصبي Javier Esteban Libiano في هذا المقال كل التفاصيل حول كيف يقوم دماغنا بتشفير الروائح.

الحاسة الشمية، إلى جانب حاسة التذوق، هي حاسة كيميائية. تتفاعل المنبهات التي تستقبلها كلتا الحاستين كيميائياً مع مستقبلاتها.

تساعد الحاسة الشمية على التعرف على الأطعمة وتجنب تلك الفاسدة أو غير المناسبة للاستهلاك. تساعد العديد من الأنواع على تتبع الفريسة أو اكتشاف المفترسين، وكذلك على التعرف على الأصدقاء والأعداء والشركاء المستجيبين.

بالنسبة للبشر، تملك الروائح القدرة الفريدة على استدعاء الذكريات. ينشّط الشم مناطق دماغية مرتبطة بـ العاطفة والتعلم والذاكرة.

هل يمكننا استخدام هذه المعلومات لممارسة تأثير إعادة تأهيل عصبي لعدة قدرات معرفية لدى أشخاص يعانون من نوع من إصابة الدماغ أو تدهور معرفي مرتبط بأمراض مختلفة؟

المُنبه، طبيعته وخصائصه

تزداد الأدلة يوماً بعد يوم على أن التحفيز الحسي له أثر في الحفاظ على القدرات المعرفية وتحسينها -مثل الإدراك، اللغة، البراكسيات، الجنوزيا، الانتباه، الذاكرة، القدرات التنفيذية، التوجّه، الاستدلال والدافعية- لدى الأشخاص الذين يمرون بعمليات تدهور معرفي أو حوادث وعائية دماغية (CVA) أو عوامل أخرى تسببت في إصابة دماغية.

المُنبّه الشمي، المعروف فنياً بالإنجليزية باسم odorants، يتكون من مواد متطايرة ذات وزن جزيئي يتراوح بين 15 و300 غ/مول (جرام لكل مول). تكاد تكون جميع المركبات العطرية قابلة للذوبان في الدهون ومن أصل عضوي، على الرغم من أن العديد من المواد التي تلبي هذه المعايير قد لا يكون لها رائحة.

يجب أن تكون المواد العطرية قابلة للذوبان في الماء حتى تتمكن من الذوبان في الطبقة المخاطية السطحية والوصول إلى الأهداب الشمية، التي ترتبط على أغشيتها بمستقبلات محددة. عند تراكيز كافية تنتج إزالة استقطاب لغشاء الخلية تُنقل عبر المحور العصبي كجهد فعل.

يُعتقد أن الشم يحتوي على بعض الخصائص الأساسية التي يتم تسجيلها بواسطة مستقبلات محددة.

نظرًا لأن المواد التي تنتمي إلى نفس المجموعة الشمية لها أحجام جزيئية متشابهة، يبدو من الممكن أن يستجيب غشاء الأهداب الشمية—امتدادات خلايا المستقبل التي تخترق المخاط وتتلقى المنبه—فقط لحجم جزيئي محدد.

تشير أبحاث جديدة إلى أن الخلية الحسية قد تُعبّر عن نوع واحد فقط من المستقبلات.

اكتشفت دراسة من جامعة كاليفورنيا أن بعض الروائح قد تُحسّن القدرات المعرفية للأشخاص من خلال إجراء تجربة تعرّض فيها عينة من الأفراد لرائحة عبير أثناء نومهم. تفتح هذه الدراسة الباب أمام علاجات إعادة تأهيل عصبي غير جراحية لمحاربة الأمراض التنكسية العصبية أو إصابات الدماغ المتنوعة.

المستقبلات

نمتلك ستة ملايين خلية مستقبلية شمية (خلايا عصبية ثنائية القطب)، تقع داخل جزأي الغشاء المخاطي (الظهارة الشمية).

في الإنسان، تغطي الظهارة الشمية مساحة صغيرة من كلا التجويفين الأنفيين، وتقع في الجزء العلوي من التجويف الأنفي، على حافة القرون الأنفية العليا وفوق السطح المقابل للحاجز الأنفي.

تقع مستقبلات الشم في الظهارة الحسية، التي تتكون من خلايا داعمة وخلايا حسية أو خلايا مستقبلية شمية.

الخلايا المستقبلية الشمية هي خلايا عصبية ثنائية القطب، أجسامها الخلوية موجودة في المخاط الشمي الذي يغطي الصفيحة المصفوية، فتحة في قاعدة الجزء الأمامي من الدماغ.

بين الخلايا المستقبلية الشمية توجد خلايا داعمة تحتوي على إنزيمات تدمر الجزيئات العطرية، وبالتالي تساعد على منع تشوّه مستقبلات الشم.

تحتوي المنطقة الشمية أيضًا على العديد من الغدد المخاطية الصغيرة، وهي غدد Bowman، وإفرازاتها تشكل طبقة رقيقة نهائية تغطي الظهارة الشمية.

يرقّ الجزء البعيد من الخلية الحسية ليشكل ساقًا رفيعًا يتجاوز قليلاً سطح الظهارة الشمية. هذا النتوء الشمي مغطى بالعديد من الأهداب الشمية. واتجاهًا نحو القاعدة يستمر الجسم الخلوي البيضاوي في امتداد رفيع يحيطه—مع الامتدادات الأخرى—خلايا شوان.

تفاعل المنبه-المستقبل

يقر الباحثون بأن الأهداب الشمية تحتوي على مستقبلات جزيئية يتم تحفيزها بواسطة الجزيئات العطرية.

تعرّف Jones وReed على بروتين G معينًا أطلقا عليه اسم Golf. يمكن لهذا البروتين تنشيط إنزيم يحفز تخليق AMP الحلقي (أدينوزين أحادي الفوسفات الحلقي، نوكليوتيد يعمل كرسول ثان في عمليات بيولوجية مختلفة)، والذي بدوره يمكن أن يفتح قنوات الصوديوم ويزيل استقطاب غشاء الخلية الشمية.

تعمل بروتينات G كحلقة وصل بين المستقبلات الميتابوتروبية والقنوات الأيونية: عندما يرتبط رابط بمستقبل ميتابوتروبي (آليات تحويل الإشارة، غالبًا ما تكون بروتينات G، لتفعيل سلسلة من الأحداث داخل الخلوية باستخدام رسل ثانويين كيميائيين)، يفتح بروتين G أي قناة أيونية بصورة مباشرة أو غير مباشرة عن طريق تنشيط إنتاج رسول ثانٍ. اقترح اكتشاف Golf أن الأهداب الشمية تحتوي على مستقبلات للرائحة مرتبطة بهذا البروتين G.

اكتشف Buck وAxel عائلة من الجينات التي تشفر عائلة من البروتينات المستقبلية الشمية. يبدو أن هناك بين 500 و1,000 مستقبل مختلف في البشر، كل واحد حساس لرائحة مختلفة. ترتبط الجزيئات العطرية بهذه المستقبلات وتؤدي بروتينات G المرتبطة إلى فتح قنوات الصوديوم، محدثة جهود فعل مزيلة للاستقطاب.

يفتح التحفيز المعرفي الشمّي مجالًا للتدخل في ميدان اللدونة العصبية، المعروفة بقدرة الدماغ على التعافي وإعادة الهيكلة وإعادة التكوين وإعادة تشكيل وتنظيم نفسه والتكيّف مع حالات جديدة.

الأعصاب الشمية

ترسل الخلايا المستقبلية الشمية عبر سطح المخاط امتدادًا يتفرع إلى 10 أو 20 هدبة، تخترق الطبقة المخاطية.

تتجمع هذه الامتدادات لتشكل الأعصاب الشمية التي تعبر فتحات الصفيحة المصفوية لتصل إلى البصلة الشمية. يمر عبر العظم حوالي خمسة وثلاثون حزمة من المحاور العصبية، محاطة بخلايا الدبق العصبي، عبر فتحات صغيرة في الصفيحة المصفوية.

تنتهي الامتدادات في الكبيبات الشمية لبصلة الشم، حيث تُشكل مشابكًا مع تغصنات الخلايا التاجية (الخلايا الميترالية).

يرافق العصب الشمي زوجان آخران من الأعصاب من التجويف الأنفي إلى الدماغ: العصب النهائي والعصب الميكعي الأنفي (vomeronasal).

يتكون العصب النهائي من حزمة من الألياف العصبية الرقيقة التي تتجه من الحاجز الأنفي عبر الصفيحة المصفوية إلى الصفيحة النهائية، وتدخل الدماغ أسفل الصوار الأمامي. تحتوي هذه الحزمة على العديد من الخلايا العصبية وتعتبر عصبًا ذاتيًّا.

العصب الميكعي الأنفي الذي يمتد من العضو الميكعي الأنفي نحو البصلة الشمية الملحقة، متطور في الفقاريات الدنيا وفي الإنسان يظهر فقط أثناء التطور الجنيني.

تحتوي الظهارة الشمية أيضًا على نهايات عصبية حرة لمحاور العصب الثلاثي التوائم. تتوسط هذه النهايات الحسية أحاسيس الألم التي قد تنتج عند استنشاق بعض المهيجات الكيميائية مثل الأمونيا.

البصيلات الشمية

البصيلات الشمية هي مناطق سميكة في نهاية المسار الشمي، والتي تتلقى مدخلات واردة من المستقبلات الشمية. تقع في قاعدة المخ، في نهاية المسارات الشمية الممتدة.

ترسل كل خلية مستقبلية محورًا عصبيًا وحيدًا إلى البصلة الشمية، حيث تُشكّل مشابكًا مع تغصينات الخلايا الميترالية. تحدث هذه المشابك في التعقيد المحوري وفي التفرعات التغصنية المسماة الكبيبات الشمية.

هناك نحو 10,000 كبيبة شمية تقريبًا، يتلقى كل منها المدخلات الواردة من حزمة تضم نحو 2,000 محور عصبي تقريبًا.

المسارات العصبية

مسار المنبه

باختصار، تتكون المستقبلات الشمية من خلايا عصبية ثنائية القطب تقع في الظهارة الشمية التي تبطّن سقف الجيوب الأنفية، في العظم الموجود تحت الفصوص الجبهية.

تُرسل المستقبلات نهايات عبر سطح المخاط تتفرع إلى أهداب. تحتوي أغشية هذه الأهداب على مستقبلات تكتشف الجزيئات العطرية المذابة في الهواء والتي تصل إلى الظهارة الشمية. تعبر محاور مستقبلات الشم فتحات الصفيحة المصفوية نحو البصيلات الشمية، حيث تُكوّن مشابكًا في الكبيبة مع تغصينات الخلايا الميترالية. ترسل هذه الخلايا محاورًا عبر المسارات الشمية إلى الدماغ، خصوصًا إلى اللوزة الدماغية (ذات الصلة بالعواطف)، والقشرة الكمثرية (معالجة المعلومات) والقشرة الشمية الداخلية (entorhinal) (الذاكرة، التوجّه والتعلم). يستقبل الحُصين (التعلم والذاكرة)، تحت المهاد والقشرة المدارية الجبهية (اتخاذ القرار) المعلومات الشمية بصورة غير مباشرة.

العضو الميكعي الأنفي

معظم الثدييات لديها عضو آخر يستجيب للمواد الكيميائية البيئية: العضو الميكعي الأنفي، وهو ظهارة حسية تقع داخل كيس مخاطي في الحاجز الأنفي، مهم لدى الزواحف لتعقب الطعام. كما أنه يلعب دورًا مهمًا في استجابة الحيوانات للفيرومونات (مواد كيميائية تنتجها الحيوانات تؤثر على الفسيولوجيا التناسلية والسلوك).

المناطق المختلفة المشاركة

تُسقط محاور المسار الشمي مباشرة إلى اللوزة الدماغية وإلى منطقتين من القشرة الحوفية: القشرة الكمثرية والقشرة الشمية الداخلية (entorhinal).

• اللوزة الدماغية، المرتبطة بالعاطفة، ترسل المعلومات الشمية إلى المهاد التحتي (الهيبوثالاموس)، المرتبط بتناول الطعام والعاطفة.

• القشرة الشمية الداخلية (entorhinal)، المرتبطة بالتعلم والذاكرة، ترسل المعلومات الشمية إلى الحُصين، المرتبط أيضًا بالتعلم والذاكرة.

• القشرة الكمثرية، المرتبطة بالذاكرة والتعلم، ترسل المعلومات الشمية إلى المهاد التحتي والقشرة المدارية الجبهية، المرتبطة بالذاكرة والعاطفة، عبر النواة الظهرية الوسطى للمهاد، المرتبطة بالذاكرة والتعلم.

• القشرة المدارية الجبهية، إلى جانب المعلومات الشمية، تستقبل أيضًا معلومات تذوقية. لذلك، قد تكون مشاركة في دمج التذوق والشم لتكوين النكهات.

• يستقبل المهاد التحتي كمية كبيرة من المعلومات الشمية، وهو أمر مهم على الأرجح لقبول أو رفض الأطعمة وللتحكم الشمي في العمليات الإنجابية.

نرى بذلك أنه من خلال التحفيز المعرفي، باستخدام الحاسة الشمية والروائح المختلفة التي قد نواجهها، سنقوم بتنشيط مناطق دماغية مرتبطة بالذاكرة والتعلم والعاطفة واتخاذ القرار ومعالجة المعلومات… بهذه الطريقة، يمكن أن تؤدي نشاطات بسيطة مثل التعرف على منبهات عطرية مختلفة إلى تحسّن أو إبطاء مختلف عمليات التدهور المعرفي، موفرة لنا مجالًا للتدخل يمكن دمجه في نفس الوقت مع تقنيات أخرى للتحفيز المعرفي.

إدراك روائح محددة

يمكن للأشخاص تمييز أكثر من 10,000 رائحة مختلفة. حتى لو كان لدينا عدة مئات من المستقبلات الشمية المختلفة، أو حتى ألف، ستبقى العديد من الروائح بلا تفسير.

كيف يمكننا استخدام عدد قليل نسبيًا من المستقبلات لاكتشاف هذا الكم الكبير من الروائح المختلفة؟

التعرف على رائحة معينة هو مسألة التعرف على نمط معين من النشاط في الكبيبات الشمية. تتحول مهمة التعرف الكيميائي إلى مهمة تعرف مكاني.

تُحافظ الأنماط المكانية للمعلومة الشمية الطبوغرافية في القشرة الشمية. من المحتمل أن الدماغ يتعرف على الروائح الخاصة من خلال التعرف على أنماط التنشيط المختلفة التي تحدث.

على الرغم من أن معظم الروائح تنتج عن مزيج من العديد من المواد الكيميائية المختلفة، فإننا نحددها على أنها تنتمي إلى جسم معين، على سبيل المثال رائحة القهوة أو رائحة دخان السجائر.

المراجع

• N. Carlson. (2006). Fisiología de la conducta. Editorial Pearson, Madrid
• W. Kahle. (2003). Atlas de Anatomía. Tomo 3. Sistema nervioso y órganos de los sentidos. Editorial Omega, Barcelona
• Woo, C; Miranda, B;  Sathishkumar, M; Dehkordi-Vakil, F; Yassa, M y Leon, M. (2023). Overnight olfactory enrichment using an odorant diffuser improves memory and modifies the uncinate fasciculus in older adults. Frontiers in Neuroscience.

إذا أعجبك هذا المنشور في المدونة حول علم الأعصاب للحاسة الشمية في إعادة التأهيل العصبي، فربما تهمك هذه المقالات من NeuronUP:

“تمت ترجمة هذا المقال. رابط المقال الأصلي باللغة الإسبانية:”
Neurociencia del olfato en neurorrehabilitación: ¿Cómo codifica el cerebro los olores?