Lukt av däggdjur - processen för uppfattning av däggdjur av närvaron av flyktiga ämnen i luften , manifesterad i bildandet av en specifik känsla ( luktsensation ), luktanalys och bildandet av subjektiva förnimmelser , på grundval av vilka djuret reagerar till förändringar som sker i omvärlden . För denna process hos däggdjur är luktanalysatorn ansvarig , som uppstod i ett tidigt skede i utvecklingen av chordater [1] [2] .
Luktmottagning består av detektering av en luktande substans av luktkemoreceptorer , överföring av luktinformation till centrala nervsystemet och dess bearbetning av strukturerna i telencephalon . Det ger ett antal adaptiva beteendesvar : mat, sexuell, defensiv, forskning [3] .
Hos de flesta däggdjur representeras luktanalysatorn av två sensoriska system; dessa är det huvudsakliga luktsystemet och det ytterligare luktsystemet . Var och en av dem innehåller tre delar: en perifer del ( luktorgan), en mellanliggande del ( ger överföring av nervimpulser och består av en kedja av interkalära neuroner ) och en central del ( luktcentra i hjärnbarken ). Samtidigt representeras det huvudsakliga luktorganet av luktregionen - ett begränsat område av epitelet i näshålan , och det extra luktorganet - av Jacobson-organet (ett annat namn: vomeronasalt organ ), som är en sluten hålighet som kommunicerar med munhålan [2] .
Luktorganen hos däggdjur är mer utvecklade än hos andra landlevande ryggradsdjur och spelar en mycket viktig roll i deras liv. Förmågan att urskilja lukter används av däggdjur för orientering i rymden, när de söker efter föda, inom ramen för interspecifika och intraspecifika kontakter [4] . Vikten av luktsinnet för däggdjur bevisas också av det faktum att den mest omfattande familjen av gener i deras genom bildas av generna som kodar för proteiner från luktreceptorer [5] . Luktsinnet spelar också en roll i näringen av däggdjur: behagliga lukter utlöser utsöndringen av saliv och magsaft , och obehagliga sådana varnar för potentiell skada (till exempel den obehagliga lukten av bortskämd mat) [6] .
Beroende på graden av utveckling av luktfunktionen delas däggdjur in i två grupper: makrosmatter med ett exceptionellt akut luktsinne (de flesta däggdjur) och mikrosmattor med ett måttligt utvecklat luktsinne ( primater , valar , pinnipeds ) [7] .
Skillnaden mellan dessa grupper syns tydligt när man jämför graden av utveckling av luktsinnet hos människor och hundar . Om en mänsklig näsa har cirka 6 miljoner luktceller, så har en hund cirka 225 miljoner [8] . Många makrosmattor luktar på flera hundra meters avstånd och kan hitta matföremål under jorden [9] . Det är en välkänd praxis att söka efter tryffel som växer i skogen under jorden med hjälp av specialtränade sökhundar och grisar , som kan känna lukten av tryffel under jorden på ett avstånd av upp till 20 m [10] .
Graden av utveckling av luktsinnet korrelerar i allmänhet med antalet gener som kodar för olika typer av funktionella luktreceptorproteiner . Makrosmater har vanligtvis mer än 1000 av dem, många primater har cirka 500, människor har bara 387 (cirka 1–2 % av genomet [11] ), och näbbdjur har 262 [12] . Tydligen är luktsinnet det värst utvecklade hos valar; de har också den högsta andelen luktreceptorpseudogener [ 13] .
Luktorganen hos däggdjur är belägna i den bakre övre delen av näshålan , där ett mycket komplext system av luktturbinater - tunna benblad riktade inuti håligheten och täckta med luktepitel , uppstår, vilket är mycket komplext, särskilt i makromata . I turbinaten sker inte bara luktanalysen av inandningsluften utan även dess uppvärmning innan den kommer in i lungorna. Bland moderna arter av tetrapoder finns doftskal endast hos däggdjur, såväl som hos några fågelarter där dessa skal uppstod oberoende [14] . Luktepitelet innehåller luktreceptorceller , stödceller som utsöndrar slem och som i egenskaper liknar gliaceller , samt basalceller, som, liksom stamceller , kan dela sig och ge upphov till nya funktionella neuroner under hela livet. djur. Storleken på luktepitelet hos däggdjur varierar från 2-4 cm² (människan) och 9,3 cm² (kanin) till 18 cm² (hund) och 21 cm² (huskatt). Dessa värden ger dock ingen uppfattning om luktens skärpa, eftersom de inte tar hänsyn till antalet luktreceptorer per enhetsyta. Luktreceptorerna kan fånga upp molekylerna av luktämnen som finns i inandningsluften. Liksom smakreceptorer klassificeras de som kemoreceptorer . Signaler om förekomsten av luktämnen överförs genom luktnerven till motsvarande centrum av hjärnans luktkola , eller primära luktcentra i hjärnbarken . Från den senare överförs luktsignaler till hypotalamus , limbiska systemet , retikulär formation och neocortex [7] [6] [15] .
De flesta däggdjur behåller Jacobsons organ som en separat del av luktkapseln. Detta organ, som också finns i lungfisk och de flesta tetrapoder (de viktigaste undantagen är fåglar och krokodiler ), tjänar främst för uppfattningen av feromoner . Hos representanter för ett antal grupper ( valar , sirener , de flesta fladdermöss och smalnosade primater , inklusive människor ), är Jacobson-organet rudimentärt eller helt förlorat [16] [17] [18] .
Det vomeronasala organet är fodrat med luktepitel, liknande det som täcker näsans turbinater. Luktreceptorceller förnyas under hela livet och stöds av epitel- och basalceller, men istället för flimmerhåren har de mikrovilli (microvilli). Receptormolekyler representeras också av GPCR, men deras aminosyrasekvens har ingenting att göra med turbinatreceptorer. GPCR:erna för det vomeronasala organet representeras av två distinkta familjer, som var och en innehåller 100 till 200 gener och utvecklas oberoende. Medlemmar av en av dessa familjer har en lång extracellulär N-terminal domän som liknar den metabotropa glutamatreceptorn . Den andra budbäraren här är inte cAMP, som i nasala turbinater, utan inositoltrifosfat. Afferenta fibrer från det vomeronasala epitelet skjuter ut i den accessoriska luktlöken, som hos de flesta är placerad baktill den huvudsakliga luktlöken. Liksom luktepitelet i näsan är det vomeronasala epitelet också uppdelat i zoner: olika G-proteiner uttrycks i de apikala och basala delarna av organet. Dessa zoner bevaras också i projektioner in i den extra olfaktoriska bulben: epitelets apikala zon projiceras in i den främre zonen av glödlampan och basalzonen i den bakre. Glomeruli i den extra glödlampan är mindre uttalade än i den huvudsakliga. Istället för en rumslig karta över huvudglödlampan är representationen av den kompletterande glödlampan mer komplex och kaklad. Tillbehörslampan har inga utsprång till cortex och är endast ansluten till det limbiska systemet: med amygdala och hypotalamiska kärnor, som spelar en viktig roll i sexuellt beteende. Kanske reagerar den extra glödlampan bara på specifika artspecifika kombinationer av ämnen av motsvarande feromon och ignorerar helt enkelt alla andra [19] .
Luktreceptorer ( olfaktoriska celler ) är bipolära neuroner med en enda icke-förgrenande dendrit. Den passerar mellan basalcellerna och slutar i en liten svullnads -luktklubba . Upp till 20 långa cilier kommer ut ur den, som representerar luktcellens sensoriska yta. De är vanligtvis nedsänkta i ett lager av slem som täcker epitelet och bildar en tät matris med det. Luktcellen har en dubbel funktion: uppfattning av en stimulans och överföring av en nervimpuls till hjärnan , därför är den en neurosensorisk cell (sensorisk neuron). Axoner som utför signalöverföring till centrala nervsystemet samlas i buntar med lukttrådar . Luktneuroner kan ersättas genom att dela basalceller [20] [21] .
Slemmet som luktflimmerhåren ligger i innehåller en stor mängd medelstora (20 kDa) proteiner , som utsöndras av näskörtlarna och som finns i slemmet som täcker inte bara luktepitelet, utan också rent andningsorgan. Dessa proteiner binder troligen mycket icke-selektivt till molekyler av luktämnen (odoranter) och säkerställer deras interaktion med receptorceller [20] .
Luktflimmerhåren skiljer sig inte i ultrastruktur från andra flimmerhårar och innehåller ett vanligt icke-rörligt axonem . Luktflimmerhåren är mycket långa och tunna: med en längd på 5 till 250 mikron når de endast 100-250 nm i diameter . De samlas i buntar om 5–40 och kommer ut från luktcellens klubba, vilket ökar dess sensoriska yta. Receptorproteiner är belägna på ytan av flimmerhåren. Varje gen från familjen av gener som kodar för sådana proteiner kodar för en viss variation av dem, och på flimmerhåren av en luktcell finns det luktproteiner av endast en sort; inte alla gener i denna familj kan dock uttryckas (till exempel uttrycks cirka 40 % av dessa gener i människor). Under lång tid var det oklart om ciliumet reagerar på många typer av luktämnen eller bara en [11] . Nu har det emellertid fastställts att luktceller av en typ är specifika för en specifik smal klass av kemiska föreningar , eftersom de känner igen speciella strukturella motiv i dem [14] [21] .
Oavsett specificitet är luktcellernas känslighet mycket hög: de kan registrera ämnen i koncentrationer från 10 -4 M till 10 -13 M. Vid förkylning minskar känsligheten på grund av att flimmerhåren är nedsänkta i för tjocka ett lager av slem [11] .
Förutom de luktceller som är associerade med luktnerven finns det även fria ändar av trigeminusnerven i nässlemhinnan ; de kan reagera på vissa aggressiva lukter, såsom syra eller ammoniakångor [ 21] .
Ledningen av en luktstimulus börjar enligt följande. Det luktande ämnet binder till en receptor i luktcellens membran. Luktreceptorn är en G - proteinkopplad receptor och innehåller, precis som alla GPCR, 7 domäner . Till skillnad från andra receptorer i GPCR-superfamiljen kännetecknas luktreceptorer av en stor aminosyradiversitet i transmembrandomänerna 3, 4 och speciellt 5. Dessutom skiljer sig luktreceptorer från andra GPCR i mindre specificitet: de har, till en eller annan grad, affinitet till en mängd olika stereokemiskt liknande luktämnen. Små förändringar i luktämnets kemiska struktur kan dock motsvara en förändring i uppsättningen av stimulerade receptorer och en förändring i subjektiv uppfattning. Således leder ersättningen av hydroxylgruppen av oktanol med en karboxyl till en betydande förändring i luktuppfattningen: istället för en lukt som påminner om en apelsin , finns det en lukt av härskning och svett. Dessutom kan antalet stimulerade receptorer och subjektiv uppfattning bero på koncentrationen av luktämnet. Till exempel, vid låga koncentrationer har indol en behaglig blomdoft, medan den vid höga koncentrationer har en äcklig, rutten lukt [22] .
Bindning av luktämnet till receptorn aktiverar Gs - proteinet , som aktiverar enzymet adenylatcyklas , som ett resultat av vilket GTP sönderdelas till fosfat och GDP . Adenylatcyklas omvandlar ATP till cAMP , som binder till en cyklonukleotidberoende katjonkanal i membranet och öppnar flödet av Na + och Ca 2+ joner in i luktcellen, och utlöser därigenom en aktionspotential i den, som sedan överförs till afferent neuroner [21] . Ibland aktiverar dock luktreceptorer inte adenylatcyklas, utan fosfolipas , och inte cAMP, utan inositoltrifosfat och diacylglycerol , fungerar som en sekundär budbärare . Dessutom är det möjligt att i luktcellerna på grund av aktiveringen av NO-syntas av kalcium bildas NO , vilket leder till bildningen av cGMP [23] .
Cyklonukleotidstyrda kanaler har sex hydrofoba segment och liknar strukturellt spänningsstyrda jonkanaler . Skillnaden ligger i närvaron av en stor C-terminal cytoplasmatisk domän i cyklonukleotidberoende kanaler , som binder till andra budbärare. Det finns 2400 kanaler/µm² på flimmerhåren (det finns bara 6 kanaler/µm² på luktklubban och dendriten. I frånvaro av kalcium är cyklonukleotidberoende kanaler permeabla för alla envärda katjoner : Na + > K + > Li + > Rb + > Cs + Under påverkan av en luktämne förändras jonströmmar genom cyklonukleotidberoende kanaler, vilket leder till depolarisering av cellmembranet och utlöser aktionspotentialen [24] .
Luktceller av samma typ överför sina signaler till samma glomerulus luktlöken, och den rumsliga organisationen av den senare upprepar topografiskt platsen för receptorer på ytan av luktskalet [14] . Det bör noteras att en luktreceptor kan exciteras av en luktmolekyl [25] .
2004 fick Linda Buck och Richard Axel Nobelpriset i fysiologi eller medicin för sin forskning om däggdjursluktreceptorer [26] ; det var de som fastställde den kemiska naturen hos luktreceptorproteiner, gav en uppskattning av antalet gener i däggdjursgenomet som kodar för dessa proteiner och underbyggde reglerna enligt vilka en luktcell uttrycker en typ av luktreceptorproteiner, och en och samma är ansvarig för signalbearbetningen av alla luktceller av samma typ, samma glomerulus av luktlöken [27] [28] .
Det är intressant att de cyklonukleotidberoende kanalerna i luktflimmerhåren inte är desensibiliserade , dvs de förlorar inte känslighet vid upprepad presentation av luktämnet. Men i luktcellerna sker dock anpassning. Detta beror troligen på att Ca 2+ -joner kommer in i cellen , vilka, antingen direkt eller genom aktivering av calmodulin , leder till stängning av jonkanaler och dessutom desensibiliserar GPCR [29] .
Dessutom är svaret på en luktstimulans gradvis, d.v.s. en större koncentration av ett luktämne motsvarar en större respons. Detta beror på det faktum att cAMP ökar eller minskar antalet öppna cyklonukleotidberoende kanaler. Ett snabbt svar krävs för att effektivt skilja mellan signaler i realtid. Det har visat sig att toppen av cAMP-bildning inträffar 40–75 ms efter exponering för ett luktande ämne och sjunker till noll efter 100–500 ms. G-proteinkaskaden förstärker signalen, på grund av vilken en puls av luktämnet aktiverar många kanaler. Däremot är kinetiken för kanalerna ganska långsam, och det öppna tillståndet kan släpa efter cAMP-pulsen med flera millisekunder. Med förlängd aktivering av GPCR-doftämnen upprätthåller cAMP-impulser cyklonukleotidberoende kanaler i ett permanent öppet tillstånd [29] .
Till skillnad från andra sensoriska system ( visuella , auditiva , somatosensoriska och, i mindre utsträckning, gustatoriska ), där det sensoriska epitelet registrerar rumslig information, är luktepitelets "kartläggningsfunktion" inte så uttalad. Ändå innehåller den rudimenten för rumslig organisation. Kartläggning med 2-deoxiglukos , som gör det möjligt att identifiera aktiva celler, visade att det finns grupper av celler i luktepitelet förknippade med vissa lukter. Så, butanol exciterar cellerna i den främre regionen, och limonen aktiverar cellerna i den bakre slemhinnan. Dessutom har det nyligen visats att receptorceller är organiserade i främre-posteriora band (så kallade expressionszoner ), som var och en innehåller en komplett uppsättning celler. Det verkar finnas 3 icke-överlappande uttryckszoner som överlappar med en mindre, fjärde zon [30] .
De olfaktoriska bipolära cellernas axoner kombineras till flera tiotals buntar, som var och en innehåller flera hundra eller tusentals fibrer. De kommer in i kranialhålan genom öppningarna i etmoidbenet och kombineras till luktnerver . Ändarna på de primära luktcellerna bildar synapser med dendriterna från luktlökarnas celler. Varje sådan cell ( mitralcell ), som är en andra ordningens sensorisk neuron, tar emot signaler från cirka 1000 axoner av primära sensoriska celler, det vill säga cirka 1000 luktaxoner konvergerar på förgreningarna av den apikala dendriten i en mitraliscell . Cirka 25 av dessa dendriter bildar tillsammans med terminalerna sfäriska formationer - glomeruli . Cirka 2500 luktaxoner konvergerar på en glomerulus, och det finns cirka 2000 glomeruli i kaninens luktkola . Mitralceller kännetecknas av rytmisk aktivitet på grund av inandning av luktämnen. Lokala interneuroner i luktlökarna (periglomerulära celler belägna mellan glomeruli och granulära celler under mitraliscellerna) kan kontrastera de mottagna signalerna. De efferenta banorna för den motsatta olfaktoriska glödlampan, limbiska strukturer och den retikulära bildningen av hjärnan slutar på dessa celler . Systemet med synaptiska kontakter i luktbulben är extremt komplext, liksom dess kemi: ett dussintal signalsubstanser har identifierats i det , bland vilka är acetylkolin , dopamin , GABA och flera neuropeptider [31] .
Mitralcellernas axoner bildar en luktkanal som leder till luktcentra av högre ordning, som, uppdelad i flera delar, slutar vid de limbiska strukturerna i framhjärnan: främre luktkärnan , septum, piriform och parahippocampal gyrus . Från dessa strukturer kommer information in i hippocampus , amygdala , orbitofrontal cortex (direkt eller genom thalamus ), och den retikulära bildandet av mellanhjärnan [32] [6] .
Igenkänning av en viss lukt är resultatet av en kombination av receptorer och hjärnan, som ett resultat av vilken den presenteras som en kombination av "primära lukter". I enlighet med Moncrieff-Aymours stereokemiska luktteorin [33] har en person ett luktigenkänningssystem med sju komponenter baserat på särskiljningen av sju primära lukter: mysk, kamfer, blommig, eterisk, mynta, frätande och rutten (ämnen som tillhör till samma grupp är liknande i stereomodellen ) [34] [35] .
Hos människor har genetisk analys avslöjat flera dussin specifika anosmi - störningar i luktsystemet, manifesterat i oförmågan att särskilja vissa lukter. Till exempel inträffar oförmågan att upptäcka lukten av cyanid med en frekvens av 1:10, och butylmerkaptan (den luktande substansen i en skunk ) - 1:1000. Förmodligen beror anosmi på defekter i specifika luktreceptorer. Många anosmier visar mendelsk arv , men genetiken för anosmi är dåligt förstådd [29] .