Neuroscienze dell’olfatto nella neuroriabilitazione: come codifica il cervello gli odori?

Il neuropsicologo Javier Esteban Libiano espone in questo articolo tutti i dettagli su come il nostro cervello codifica gli odori.

L’olfatto è, insieme al gusto, un senso chimico. Gli stimoli ricevuti da entrambi i sensi interagiscono chimicamente con i loro recettori.

L’olfatto aiuta a identificare gli alimenti e ad evitare quelli che sono avariati o inadatti al consumo. Aiuta molte specie a seguire una pista o a rilevare i predatori, nonché a identificare amici, nemici e partner ricettivi.

Per gli esseri umani, gli odori hanno la particolare capacità di evocare ricordi. L’olfatto attiva regioni cerebrali legate a emozione, apprendimento e memoria.

Potremmo usare queste informazioni per esercitare un effetto di neuroriabilitazione su diverse capacità cognitive in soggetti con qualche tipo di danno cerebrale o deterioramento cognitivo associato a diverse patologie?

Lo stimolo, natura e caratteristiche

C’è sempre più evidenza che la stimolazione sensoriale abbia effetti nel mantenimento e miglioramento delle capacità cognitive – come la percezione, il linguaggio, le prassie, le gnosie, l’attenzione, la memoria, le capacità esecutive, l’orientamento, il ragionamento e la motivazione – in persone con processi di deterioramento cognitivo, ictus o altri fattori che abbiano causato danni cerebrali.

Lo stimolo olfattivo, tecnicamente noto in inglese come odorants, consiste in sostanze volatili con un peso molecolare compreso tra 15 e 300 g/mol (grammi per mole). Quasi tutti i composti odorosi sono lipidi solubili e di origine organica, anche se molte sostanze che soddisfano questi criteri non hanno odore.

Le sostanze odorifere devono essere idrosolubili per potersi dissolvere nello strato mucoso superficiale e raggiungere le ciglia olfattive, nelle cui membrane si legano a recettori specifici. A concentrazioni sufficientemente alte, producono una depolarizzazione della membrana cellulare che viene trasmessa lungo l’assone come potenziale d’azione.

Si ritiene che nell’olfatto ci siano alcune qualità di base che vengono registrate da recettori specifici.

Dato che le sostanze appartenenti a uno stesso gruppo olfattivo hanno dimensioni molecolari simili, sembra possibile che la membrana di un ciglio olfattivo, prolungamento delle cellule recettrici che penetra nella mucosa e riceve lo stimolo, reagisca solo a una determinata dimensione molecolare.

Nuove ricerche suggeriscono che una cellula sensoriale esprima solo un tipo di recettore.

Una ricerca dell’Università della California ha scoperto che alcuni odori potrebbero incrementare la capacità cognitiva delle persone attraverso un esperimento in cui un campione di individui veniva esposto al profumo di una fragranza mentre dormiva. Questa ricerca apre la porta a trattamenti di neuroriabilitazione non invasivi per combattere le malattie neurodegenerative o diversi danni cerebrali.

I recettori

Disponiamo di sei milioni di cellule recettrici olfattive (neuroni bipolari), situate all’interno di due porzioni della membrana mucosa (l’epitelio olfattivo).

Nell’essere umano, l’epitelio olfattivo copre una piccola area di entrambe le cavità nasali, situato nella parte superiore della cavità nasale, lungo il bordo dei turbinati superiori e sulla superficie opposta del setto nasale.

I recettori per l’olfatto si trovano nell’epitelio sensoriale, che è composto da cellule di supporto e da cellule sensoriali o recettrici olfattive.

Le cellule recettrici olfattive sono neuroni bipolari, i cui corpi cellulari si trovano nella mucosa olfattiva che ricopre la lamina cribrosa, una fessura alla base della parte rostrale del cervello.

Tra le cellule recettrici olfattive ci sono cellule di supporto, che contengono enzimi che distruggono le molecole odorose e, quindi, aiutano a prevenire l’alterazione dei recettori olfattivi.

La regione olfattiva contiene anche numerose piccole ghiandole mucose, le ghiandole di Bowman, la cui secrezione forma una pellicola sottile che ricopre la mucosa olfattiva.

Il segmento distale della cellula sensoriale si assottiglia fino a formare un sottile peduncolo che supera leggermente la superficie dell’epitelio olfattivo. Questa protuberanza olfattiva è ricoperta da numerose ciglia olfattive. In direzione prossimale, il corpo cellulare ovale continua con una sottile estensione avvolta dalle cellule di Schwann.

Interazione stimolo-recettore

I ricercatori affermano che le ciglia olfattive contengono recettori molecolari stimolati dalle molecole odorose.

Jones e Reed hanno identificato una proteina G particolare, che hanno chiamato Golf. Questa proteina può attivare un enzima che catalizza la sintesi di AMP ciclico (adenosina monofosfato ciclico, un nucleotide che agisce come secondo messaggero in diversi processi biologici), il quale può a sua volta aprire i canali del sodio e depolarizzare la membrana della cellula olfattiva.

Le proteine G fanno da collegamento tra i recettori metabotropici e i canali ionici: quando un ligando si lega a un recettore metabotropico (meccanismi di trasduzione del segnale, spesso proteine G, per attivare una serie di eventi intracellulari utilizzando prodotti chimici di secondo messaggero), la proteina G apre qualsiasi canale ionico direttamente o indirettamente, attivando la produzione di un secondo messaggero. La scoperta della Golf suggerì che le ciglia olfattive contenessero recettori olfattivi legati a questa proteina G.

Buck e Axel hanno scoperto una famiglia di geni che codifica una famiglia di proteine recettrici olfattive. Negli esseri umani sembra che ci siano tra 500 e 1000 recettori diversi, ciascuno sensibile a un odore diverso. Le molecole odorose si legano a questi recettori e le proteine G accoppiate provocano l’apertura dei canali del sodio, producendo potenziali d’azione depolarizzanti.

La stimolazione cognitiva olfattiva apre un campo d’intervento nel campo della neuroplasticità, nota come la capacità del cervello di recuperare, ristrutturarsi, ricomporsi, rimodellarsi, riformarsi, riorganizzarsi e adattarsi a nuove situazioni.

I nervi olfattivi

Le cellule recettrici olfattive inviano attraverso la superficie della mucosa una proiezione che si divide in 10 o 20 ciglia, che penetrano nello strato di muco.

Queste proiezioni si uniscono per formare i nervi olfattivi che attraversano i fori della lamina cribrosa per raggiungere il bulbo olfattivo. Circa trentacinque fasci di assoni, circondati da cellule gliali, attraversano l’osso attraverso piccoli fori della lamina cribrosa.

Le proiezioni terminano nei glomeruli olfattivi del bulbo olfattivo, dove stabiliscono sinapsi con i dendriti delle cellule mitrali.

Altri due nervi pari accompagnano il nervo olfattivo dalla cavità nasale al cervello: il nervo terminale e il nervo vomeronasale.

Il nervo terminale è formato da un fascio di sottili fibre nervose che si dirigono dal setto nasale attraverso la lamina cribrosa fino alla lamina terminale, entrando nel cervello al di sotto della commissura anteriore. Questo fascio contiene numerose cellule nervose ed è considerato un nervo vegetativo.

Il nervo vomeronasale, che corre dall’organo vomeronasale verso il bulbo olfattivo accessorio, è sviluppato nei vertebrati inferiori e nell’uomo è dimostrabile solo durante lo sviluppo embrionale.

La mucosa olfattiva contiene anche terminazioni nervose libere degli assoni del nervo trigemino. Queste terminazioni nervose mediano le sensazioni di dolore che possono verificarsi inalando alcuni irritanti chimici come l’ammoniaca.

I bulbi olfattivi

I bulbi olfattivi sono regioni ispessite all’estremità del tratto olfattivo, che ricevono afferenze dai recettori olfattivi. Si trovano alla base dell’encefalo, alla fine dei tratti olfattivi allungati.

Ogni cellula recettrice invia un unico assone al bulbo olfattivo, dove fa sinapsi con i dendriti delle cellule mitrali. Queste sinapsi avvengono nel complesso assonale e nelle arborizzazioni dendritiche chiamate glomeruli olfattivi.

Ci sono circa 10.000 glomeruli, ciascuno dei quali riceve afferenze da un fascio di circa 2000 assoni.

Vie Nervose

Percorso dello stimolo

In sintesi, i recettori olfattivi consistono in neuroni bipolari localizzati nell’epitelio olfattivo, che riveste il tetto dei seni nasali, nell’osso che si trova sotto i lobi frontali.

I recettori inviano terminazioni attraverso la superficie della mucosa, che si dividono in ciglia. Le membrane di queste ciglia contengono recettori che rilevano molecole odorose disciolte nell’aria, che raggiungono la mucosa olfattiva. Gli assoni dei recettori olfattivi passano attraverso i fori della lamina cribrosa verso i bulbi olfattivi, dove formano sinapsi nel glomerulo con i dendriti delle cellule mitrali. Questi neuroni inviano assoni, attraverso i tratti olfattivi, al cervello, principalmente all’amigdala (collegata alle emozioni), alla corteccia piriforme (elaborazione delle informazioni) e alla corteccia entorinale (memoria, orientamento e apprendimento). L’ippocampo (apprendimento e memoria), l’ipotalamo e la corteccia orbitofrontale (decisione) ricevono l’informazione olfattiva indirettamente.

Organo vomeronasale

La maggior parte dei mammiferi ha un altro organo che risponde alle sostanze chimiche ambientali: l’organo vomeronasale, che è un epitelio sensoriale situato all’interno di una sacca mucosa del setto nasale, importante nei rettili per tracciare il cibo. Gioca anche un ruolo importante nella risposta degli animali ai feromoni (sostanze chimiche prodotte dagli animali che influenzano la fisiologia riproduttiva e il comportamento).

Diverse regioni coinvolte

Gli assoni del tratto olfattivo proiettano direttamente all’amigdala e a due regioni della corteccia limbica: la corteccia piriforme e la corteccia entorinale.

• L’amigdala, legata all’emozione, invia l’informazione olfattiva all’ipotalamo, legato all’assunzione di cibo e alle emozioni.

• La corteccia entorinale, legata all’apprendimento e alla memoria, invia informazioni olfattive all’ippocampo, anch’esso legato all’apprendimento e alla memoria.

• La corteccia piriforme, legata alla memoria e all’apprendimento, invia informazioni olfattive all’ipotalamo e alla corteccia orbitofrontale, collegata a memoria ed emozione, attraverso il nucleo dorsomediale del talamo, legato alla memoria e all’apprendimento.

• La corteccia orbitofrontale, oltre alle informazioni olfattive, riceve anche informazioni gustative. Per questo, potrebbe essere coinvolta nella combinazione di gusto e olfatto nei sapori.

• L’ipotalamo riceve una considerevole quantità di informazioni olfattive, probabilmente importante per l’accettazione o il rifiuto del cibo e per il controllo olfattivo dei processi riproduttivi.

Vediamo così che attraverso la stimolazione cognitiva, utilizzando come strumento l’olfatto e i diversi odori a cui possiamo essere esposti, si attivano regioni cerebrali legate alla memoria, all’apprendimento, alle emozioni, alla presa di decisioni, all’elaborazione delle informazioni… In questo modo, un’attività così semplice come il riconoscimento di diversi stimoli olfattivi può portare a un miglioramento o a un rallentamento dei diversi processi di deterioramento cognitivo, offrendoci un campo di intervento che può essere combinato con altre tecniche di stimolazione cognitiva.

Percezione di odori specifici

Le persone possono riconoscere più di 10.000 odori diversi. Anche se avessimo diverse centinaia di recettori olfattivi differenti, o persino un migliaio, molti odori rimarrebbero non spiegati.

Come possiamo usare un numero relativamente piccolo di recettori per rilevare così tanti odori diversi?

Il riconoscimento di un odore specifico è una questione di riconoscimento di una configurazione particolare di attività nei glomeruli. Il compito del riconoscimento chimico diventa un compito di riconoscimento spaziale.

I modelli spaziali delle informazioni olfattive sono mantenuti nella corteccia olfattiva. Probabilmente il cervello riconosce particolari odori grazie ai diversi schemi di attivazione che si verificano.

Sebbene la maggior parte degli odori sia prodotta da miscele di molte sostanze chimiche diverse, li identifichiamo come appartenenti a un particolare oggetto, ad esempio l’odore del caffè o quello del fumo di sigaretta.

Bibliografia

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