Neuroscienza dell’olfatto nella riabilitazione neurale: 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 ed evitare quelli che sono avariati o non sono appropriati per il consumo. Aiuta molte specie a seguire le tracce o a rilevare i predatori, così come a identificare gli amici, i nemici e i partner recettivi.

Per gli esseri umani gli odori hanno la peculiare capacità di evocare ricordi. L’olfatto attiva regioni cerebrali correlate con l’emozione, l’apprendimento e la memoria.

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

Lo stimolo, natura e caratteristiche

Ogni giorno ci sono sempre più evidenze che la stimolazione sensoriale ha effetto nel mantenimento e nel miglioramento delle capacità cognitive -tali 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 (Ictus) o altri fattori che abbiano causato danno cerebrale.

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

Le sostanze odorifere devono essere idrosolubili per potersi dissolvere nello strato mucoso superficiale e raggiungere i cigli olfattivi, nelle cui membrane si legano a recettori specifici. A concentrazioni sufficientemente elevate producono una depolarizzazione della membrana cellulare che si trasmette attraverso l’assone come potenziale d’azione.

Si ritiene che nell’olfatto esistano alcune qualità di base che sarebbero registrate da recettori specifici.

Dato che le sostanze appartenenti allo stesso gruppo olfattivo hanno dimensioni molecolari simili, sembra possibile che la membrana di un ciglio olfattivo, prolungamenti delle cellule recettoriali che penetrano nella mucosa e ricevono lo stimolo, reagiscano solo di fronte a una dimensione molecolare determinata.

Nuove ricerche si avvicinano al fatto che una cellula sensoriale esprima un solo tipo di recettore.

Una ricerca dell’Università della California ha scoperto che alcuni odori potrebbero incrementare la capacità cognitiva delle persone svolgendo un esperimento in cui si esponeva un campione di individui all’aroma di una fragranza mentre dormivano. Questa ricerca apre la porta a trattamenti neuroriabilitativi non invasivi per combattere le malattie neurodegenerative o vari danni cerebrali.

I recettori

Disponiamo di sei milioni di cellule recettoriali olfattive (neuroni bipolari), le quali si trovano all’interno di due porzioni della membrana mucosa (l’epitelio olfattivo).

Nell’essere umano, l’epitelio olfattivo copre un piccolo territorio di entrambe le cavità nasali, essendo situato nella parte superiore della cavità nasale, al margine dei turbinati superiori e sulla superficie opposta del setto nasale.

I recettori per l’olfatto si trovano nell’epitelio sensoriale, il quale è formato da cellule di sostegno o cellule di supporto e da cellule sensoriali o cellule recettoriali olfattive.

Le cellule recettoriali olfattive sono neuroni bipolari, i cui corpi cellulari si trovano nella mucosa olfattiva che ricopre la lamina cribrosa, un’apertura della base nella parte rostro del cervello.

Tra le cellule recettoriali olfattive ci sono cellule di supporto, che contengono enzimi che distruggono le molecole odorose e, perciò, aiutano a prevenire che i recettori olfattivi possano essere alterati.

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

Il segmento distale della cellula sensoriale si assottiglia fino a formare un gambo sottile che supera leggermente la superficie dell’epitelio olfattivo. Questa protuberanza olfattiva è coperta da numerose ciglia olfattive. In direzione prossimale il corpo cellulare ovale continua con una prolungamento sottile che insieme con le altre prolungazioni è avvolto dalle cellule di Schwann.

Interazione stimolo-recettore

I ricercatori ammettono che i cigli olfattivi contengono recettori molecolari che sono stimolati dalle molecole odorose.

Jones e Reed identificarono una proteina G particolare, alla quale chiamarono Golf. Questa proteina può attivare un enzima che catalizza la sintesi di AMP ciclico (adenosina monofosfato ciclico, un nucleotido 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 fungono da collegamento tra i recettori metabotropici e i canali ionici: quando un ligando si unisce 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 direttamente o indirettamente qualsiasi canale ionico, attivando la produzione di un secondo messaggero. La scoperta della Golf suggerì che i cigli olfattivi contenevano recettori dell’odore legati a questa proteina G.

Buck e Axel scoprirono una famiglia di geni che codifica una famiglia di proteine recettoriali olfattive. Negli esseri umani sembra esserci tra 500 e 1000 recettori differenti, ognuno 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 di intervento nel terreno della neuroplasticità, conosciuta come la capacità che ha il cervello di recuperarsi, ristrutturarsi, ricomporre, rimodellarsi, riformarsi, riorganizzarsi e adattarsi a nuove situazioni.

I nervi olfattivi

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

Queste prolungazioni si riuniscono per formare i nervi olfattivi che attraversano i fori della lamina cribrosa per raggiungere il bulbo olfattivo. Approssimativamente trentacinque fasci di assoni, circondati da cellule gliali, attraversano l’osso mediante piccoli fori della lamina cribrosa.

Le prolungazioni terminano nei glomeruli olfattivi del bulbo olfattivo, nei quali stabiliscono sinapsi con le dendriti delle cellule mitrali.

Altri due nervi paia 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 sotto la commissura anteriore. Questo fascio contiene numerose cellule nervose ed è considerato un nervo vegetativo.

Il nervo vomeronasale che decorre 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 annusando alcuni irritanti chimici come l’ammoniaca.

I bulbi olfattivi

I bulbi olfattivi sono regioni ispessite all’estremità del tratto olfattivo, le quali ricevono afferenze dai recettori olfattivi. Sono situati alla base dell’encefalo, alla fine dei allungati tratti olfattivi.

Ogni cellula recettoriale invia un unico assone al bulbo olfattivo, dove fa sinapsi con le dendriti delle cellule mitrali. Queste sinapsi hanno luogo nel complesso assonale e negli arborizzazioni dendritiche chiamate glomeruli olfattivi.

Ci sono approssimativamente 10.000 glomeruli, ciascuno dei quali riceve le afferenze da un fascio di approssimativamente 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, le quali si dividono in ciglia. Le membrane di queste ciglia contengono recettori che rilevano molecole odorose disciolte nell’aria, che giungono alla mucosa olfattiva. Gli assoni dei recettori olfattivi passano attraverso i fori della lamina cribrosa verso i bulbi olfattivi, dove formano sinapsi nel glomerulo con le dendriti delle cellule mitrali. Questi neuroni inviano assoni, attraverso i tratti olfattivi, al cervello, principalmente all’amigdala (relativa 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 (presa di decisioni), ricevono l’informazione olfattiva indirettamente.

Organo vomeronasale

La mayoría de los mamíferos tienen otro órgano que responde a las sustancias químicas ambientales: el órgano vomeronasal, que es un epitelio sensorial ubicado en el interior de un saco mucoso del tabique nasal, importante en los reptiles para rastrear los alimentos. También juega un papel importante en la respuesta animal a las feromonas (sustancias químicas producidas por animales que afectan a la fisiología reproductiva y a la conducta).

Diferentes regiones implicadas

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, correlata con l’emozione, invia l’informazione olfattiva all’ipotalamo, correlato con l’assunzione di cibo e l’emozione.

• La corteccia entorinale, correlata con l’apprendimento e la memoria, invia informazioni olfattive all’ippocampo, correlato anch’esso con l’apprendimento e la memoria.

• La corteccia piriforme, correlata con la memoria e l’apprendimento, invia informazioni olfattive all’ipotalamo e alla corteccia orbitofrontale, correlata con la memoria e l’emozione, attraverso il nucleo dorsomediale del talamo, correlato con la memoria e l’apprendimento.

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

• L’ipotalamo riceve una quantità considerevole di informazioni olfattive, il che è probabilmente importante per l’accettazione o il rifiuto degli alimenti 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, andremo ad attivare regioni cerebrali correlate con la memoria, l’apprendimento, l’emozione, la presa di decisioni, l’elaborazione dell’informazione… In questo modo, un’attività così semplice come il riconoscimento di diversi stimoli odorosi può riverberare nel miglioramento o nel rallentamento di diversi processi di deterioramento cognitivo, offrendoci un campo di intervento che a sua volta può essere combinato con altre tecniche di stimolazione cognitiva.

Percepción de olores específicos

Las personas pueden reconocer más de 10.000 olores diferentes. Aunque tuviéramos varios cientos de receptores olfatorios diferentes, o incluso un millar, quedarían muchos olores sin explicar.

¿Cómo podemos utilizar un número relativamente pequeño de receptores para detectar tantos olores diferentes?

El reconocimiento de un olor determinado es una cuestión de reconocimiento de una configuración particular de actividad en los glomérulos. La tarea de reconocimiento químico se convierte en una tarea de reconocimiento espacial.

Los patrones espaciales de información olfatotópica se mantienen en la corteza olfatoria. Probablemente, el cerebro reconoce los olores particulares mediante el reconocimiento de los diferentes patrones de activación que suceden.

Aunque la mayoría de los olores son producidos por mezclas de muchas sustancias químicas diferentes, los identificamos como pertenecientes a un objeto concreto, por ejemplo, el olor a café o el olor a humo de un cigarro.

Bibliografía

• N. Carlson. (2006). Fisiologia del comportamento. Ed. Pearson, Madrid
• W. Kahle. (2003). Atlante di Anatomia. Tomo 3. Sistema nervoso e organi di senso. Ed. Omega, Barcellona
• Woo, C; Miranda, B;  Sathishkumar, M; Dehkordi-Vakil, F; Yassa, M e Leon, M. (2023). Overnight olfactory enrichment using an odorant diffuser improves memory and modifies the uncinate fasciculus in older adults. Frontiers in Neuroscience.

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