19.3. Свойства вкусового ощущения

Модуляция вкусового ощущения

!Качество ощущений зависит от концентрации вещества и может модулироваться путем адаптации или растительными компонентами.

Пороги раздражения. У людей они различаются индивидуально. При очень низких концентрациях вкусовое ощущение практически не проявляется. Только при более высокой концентрации вкус веще- ства-раздражителя может быть определен. Выше порога обнаружения ощущаемый вкус может еще раз измениться: NaCl и KCl сначала ощущаются слегка сладковатыми на вкус, при высоких концентрациях еще слаще; до тех пор, пока при дальнейшем повышении концентрации не проявится соленый вкус.

Растительные модификаторы вкуса. Они могут полностью изменить вкус. Так, джимнемовая кислота, которая выделяется из индийского вьющегося растения при разжевывании листьев, выборочно вызывает потерю ощущения сладкого вкуса. Миракулин из красных ягод западноафриканского растения превращает кислый вкус в сладкий. Оба вещества способны влиять на восприятие сладкого уже на уровне рецепторной клетки путем блокады первичных химических процессов. Считается, что миракулин напрямую связывается непосредственно с рецептором сладкого вкуса или обусловливает формирование комплексов кислых веществ, которые способны связываться с рецептором сладкого вкуса.

Адаптация. Адаптацией называется снижение интенсивности (насыщенности) вкуса при постоянном наличии устойчивой концентрации раздражителей. В этом состоянии также повышается порог обнаружения. Адаптацию можно зарегистрировать уже через 8 с в случае с 5%-м раствором поваренной соли, а в растворе с концентрацией 0,15 моль/л она наступает примерно через 50 с. Затем требуется несколько секунд (для NaCl) или даже часов (для горьких веществ) для восстановления первоначальной чувствительности. Ответственность за это возлагается на периферические механизмы. Адаптация

кодному вкусу также влияет на чувствительность

кдругим. Данный феномен, вероятно, может соответствовать остаточным зрительным образам. Если язык адаптировать к сладкому и затем сбрызнуть дистиллированной водой, то вода покажется слегка кислой. Взаимодействие двух других вкусов, горького и соленого, представляется более сложным.

Биологическое значение вкуса

!Любовь к сладкому является врожденной, так же как и отвращение к горькому вкусу; однако антипатии можно приобрести и в ходе реализации пищевого поведения.

У новорожденных уже можно наблюдать те же мимические реакции удовольствия и недовольства, что и у взрослого, в ответ на действие четырех основных вкусов: когда он «выглядит кислым», «сморщивает лицо» от горечи или «сладко улыбается». Такие врожденные мимические образцы реакций называются «вкусо-лицевым» рефлексом. У человека смогли установить связь между гедонистической оценкой и физиологической потребностью в пище. Так, каждому знакома антипатия к сладкому и желание горького в конце рождественских праздников. Можно также показать, что недостаток соли вызывает оправданно сильную потребность в ней.

Вкус имеет значение прежде всего для проверки качества продуктов питания и защиты от употребления в пищу ядовитых, несъедобных растений (обычно очень горьких). Кроме того, вкус влияет на выделение слюны и желудочного сока (см. 19.1).

19.1. Нарушение вкусовых ощущений

Выделяют расстройства вкусовых ощущений различной степени тяжести:

•при полной агевзии утрачиваются все вкусовые ощущения;

•при частичной агевзии утрачиваются ощущения только одного или нескольких вкусов;

•при дисгевзии наблюдаются неприятные вкусовые ощущения;

•при гипогевзии вкусовое ощущение патологиче-

ски ослабленно.

Причины. Генетически обусловленные нарушения вкусовых ощущений редки и, как правило, частичные; их причиной являются изменения структуры рецепторных белков, иногда дефекты ферментов. Такие клинические примеры, как синдром Тернера (ХО), наследственная дизавтономия (синдром Рай- ли–Дея) или муковисцидоз, встречаются вместе с гипогевзией, вплоть до тотальной агевзии.

Наиболее распространенные причины агевзии — ЛОР-болезни, вызванные несчастными случаями, хирургическими операциями, опухолями или лучевой болезнью. Прежде всего при опухолях внутреннего уха или мостомозжечкового угла, а также при акустической невриноме в качестве ранних симптомов часто встречаются расстройства вкусовых ощущений.

Некоторые препараты, действующие местно или системно, частично ослабляют вкусовые ощущения. Так, кокаин может полностью нейтрализовать ощущение горького вкуса. Инъекция пенициллина (а также оксифедрина и стрептомицина) наряду со спонтанными вкусовыми ощущениями может вызвать гипогевзию.

Иногда агевзии обнаруживаются при заболеваниях центральной нервной системы; это может быть использовано клинически в качестве раннего симптома. Повреждения лицевого нерва или барабанной струны зачастую приводят к отсутствию вкусовых ощущений только на одной половине языка.

Коротко

Свойства вкусового ощущения

В пределах четырех основных вкусов мы можем наблюдать различные уровни интенсивности, которые в свою очередь способны вызвать качественные изменения порогового диапазона. Такие эффекты могут быть также достигнуты с помощью растительных модуляторов вкуса. Все вкусовые ощущения адаптируются в пределах секунд или минут, за исключением горького вкуса (в течение часов), поскольку это имеет жизненно важное значение для обнаружения ядовитых веществ (чаще всего растительного происхождения).

Связь с центральными структурами

! Между обонятельными рецепторными клетками и корой головного мозга существует только одно переключение, а именно в гломерулах обонятельной луковицы; гломерулы обладают характерными структурными признаками и формируют минимальную функциональную единицу.

Переключение в обонятельных луковицах.

Аксоны обонятельных рецепторов заканчиваются в гломерулах. Это округлые скопления нервных

19.4. Строение обонятельной системы и ее центральные органы

Морфология

!Обонятельные сенсорные клетки в нашем носу являются первично чувствующими рецепторами, которые проецируют информацию напрямую в обонятельные луковицы.

Носовая полость. В каждой носовой полости находятся три расположенных друг над другом утолщенных образования (раковины), которые полностью покрыты слизистой оболочкой (респираторным или обонятельным эпителием). Обонятельная область (обонятельный эпителий) ограничена небольшой площадью, примерно 2 × 5 см2

на верхней раковине.

Обонятельный эпителий. Обонятельный эпителий состоит из трех типов клеток:

собственно обонятельных клеток, опорных клеток, базальных клеток (рис. 19.5).

У людей около 30 млн обонятельных клеток, средняя продолжительность жизни которых составляет лишь месяц, после чего они обновляются посредством дифференциации базальных клеток (зрелых стволовых клеток), вплоть до старости. Это один из редких примеров нервных клеток в зрелой нервной системе, способных к регулярному митотическому делению.

Обонятельные рецепторные клетки. Обонятельные рецепторы представляют собой первично чувствующие биполярные чувствительные клетки (табл. 19.1). Они контактируют с внешней средой с помощью погруженных в слизь тонких чувствительных волосков (ресничек) на апикальном конце, а на базальном конце имеют длинный тонкий нервный отросток (аксон) (рис. 19.5). Тысячи аксонов обонятельных клеток проходят через решетчатую кость и как обонятельный нерв вместе достигают обонятельных луковиц, которые можно рассматривать как переднюю часть мозга.

Рис. 19.5. Схематичное строение обонятельной слизистой оболочки и ее связи с обонятельной луковицей. В обонятельной слизистой оболочке находятся сенсорные, опорные, базальные и железистые клетки. Чувствительные клетки на апикальном дендритном отростке несут многочисленные тонкие отростки (реснички). Обонятельные нервные волокна (аксоны) этих клеток в основном передают информацию на митральные клетки обонятельной луковицы (bulbus olfactorius). Перигломерулярные клетки формируют латеральные связи между гломерулами. Зернистые клетки обычно выступают в роли тормозных интернейронов обонятельной луковицы и вносят существенный вклад в латеральное торможение через дендродендритные синапсы. Кроме того, эфферентные нервные волокна из других областей мозга могут модулировать активность обонятельной луковицы

волокон, образованные окончаниями аксонов рецепторных клеток, контактирующих с дендритами митральных клеток. При первом и единственном переключении аксонов обонятельных клеток в обонятельной луковице происходит значительное сокращение числа каналов информации о запахе: более 1000 аксонов обонятельных клеток передают информацию на дендриты одной митральной клетки (конвергенция). Помимо аксонов обонятельных клеток гломерулы содержат дендритные отростки интернейронов (перигломерулярная клетка), связанных с высшими мозговыми центрами напрямую или через митральные клетки. Гломерулы обонятельной луковицы аналогичны колонкам в коре и представляют собой намного более высокоорганизованные структуры, чем, к примеру, гломерулы в мозжечке и таламусе. Размер гломерул (100–200 мм) одинаков у всех позвоночных, так же как и их характерные взаимосвязи. Число гломерул коррелирует с числом функциональных обонятельных рецепторов (у человека приблизительно 2 × 350). На рис. 19.5 показано, что кле-

точные элементы обонятельной луковицы формируют несколько слоев. За гломерулярным слоем следует слой митральных и перигломерулярных клеток (наружный плексиформный слой). Клеточные взаимодействия между выходными нейронами (митральными клетками) и интернейронами (перигломерулярными клетками, зернистыми клетками) достаточно сложны.

Обонятельные рецепторы передают информацию непосредственно на митральные клетки и параллельно в больших количествах на дендриты перигломерулярных клеток в гломерулах. По горизонтали гломерулы связаны через густую сеть тормозных перигломерулярных интернейронов, которые используют в качестве медиатора ГАМК. У периферических, как и у центральных, нейронов достаточно широкий спектр специфичности.

Активация интернейронов приводит к латеральному торможению соседних митральных клеток. Вероятно, таким образом осуществляется контрастирование между паттернами активности, что способствует различению запахов.

Между перигломерулярными и выходными нейронами, а частично и между зернистыми клетками обнаруживаются реципрокные дендродендритные синапсы.

Дендродендритные синапсы. Вместе с синапсами типа Реншоу они относятся к синаптическим соединениям, которые осуществляют рекуррентное (обратное) торможение. Такие контакты обеспечивают информационный поток в противоположных направлениях: от митральных клеток к зернистым или перигломерулярным клеткам, а также, наоборот, от них к митральным клеткам. Кроме того, согласно новейшим данным, пери-

гломерулярные клетки, реагирующие в основном на электротонические воздействия, способны вызывать тормозные потенциалы (клетки содержат в качестве медиатора ГАМК) и латерально ингибировать активность митральных клеток. Усиление, фильтрация помех и сложные механизмы регуляции, обусловленные взаимодействием различных типов центральных нейронов, а также конвергенцией и дивергенцией сигнала, тоже способствуют контрастированию. Эти механизмы так же надежны, как и описанные в сетчатке.

Обонятельный тракт. Примерно 30 000 аксонов митральных клеток образуют единый выходящий канал для поступления информации из обонятельной луковицы. Они формируют обонятельный тракт. Основная масса аксонов из обонятельной луковицы переходит через переднюю комиссуру на другую сторону мозга, другие волокна тянутся к обонятельным проекционным полям в многочисленных областях палеокортекса, которые все вместе называются обонятельным мозгом. Переработка информации тем не менее на этом не заканчивается, сигналы передаются дальше:

с одной стороны, они достигают неокортекса и входящей в его состав эволюционно древней области мозга, препириформной коры (cortex praepiriformis);

Рис. 19.6. Поступление информации о запахах

вцентральные структуры. Обонятельная система со своими первичными и вторичными путями, идущими в другие области мозга. Обонятельные рецепторы (1) формируют синапсы на дендритных отростках митральных клеток (2). Аксоны митральных клеток

ввиде обонятельного тракта (3) проходят к более

глубоким структурам мозга. Как детально описано в тексте, обонятельная система прямо связана через обонятельный мозг с таламусом (5), а через него — с неокортексом, а также с лимбической системой (миндалиной и гиппокампом (7), показано желтым) и вегетативными ядрами гипоталамуса

с другой стороны, сигналы информации идут напрямую к лимбической системе (миндальное ядро, гипоталамус) и далее к вегетативным ядрам гипоталамуса и ретикулярной формации (рис. 19.6).

Коротко

Строение обонятельной системы

Обонятельный эпителий состоит из трех типов клеток (опорных, базальных и собственно чувствительных клеток). Обонятельные сенсорные клетки являются первично чувствующими биполярными рецепторами, которые имеют на своей апикальной части тонкие чувствительные волоски (реснички), а на другом конце — нервный отросток (аксон).

Обонятельный тракт

Аксоны обонятельных рецепторов заканчиваются

вгломерулах на дендритных отростках митральных клеток и перигломерулярных клеток (интернейронов). При этом происходит сильная конвергенция информации. Перигломерулярные клетки в наружном плексиформном слое обонятельной луковицы и зернистые клетки во внутреннем слое участвуют

вобработке сигнала через механизмы латерального торможения. Нейроны на выходе из обонятельной луковицы (митральные клетки) передают информацию напрямую в лимбическую систему и далее к вегетативным ядрам гипоталамуса и ретикулярной формации, а также к проекционным областям неокортекса.

19.5. Распознавание запахов и его нейрофизиологические основы

Классы запахов

!На основе различных критериев запахи можно разделить на классы; их различение в большинстве случаев является функцией центральной нервной системы.

Свойства запахов. Человек может различить около 10 000 запахов. Однако существует чрезвычайный дефицит названий запахов в языке. До сих пор не удавалось приемлемо разграничить классы запахов друг от друга ни с помощью физиологических или биохимических, ни с помощью психофизических методов.

Классы запахов. На сегодняшний день действует предложенная в 1952 г. Эймуром схема 7 типичных классов запахов: цветочный, эфирный, мускусный, камфарный, каприловый, гнилостный, едкий (табл. 19.3). Все природные запахи — это ароматические смеси, в которых имеются характерные «ведущие ароматы» (например, для цветочного запаха это гераниол).

Таблица 19.3. Классификация первичных запахов на качественные классы и относящиеся к ним характерные

химические соединения по Эймуру

Перекрестная адаптация. Перекрестная адаптация представляет собой еще одну возможность для классификации. Все мы знаем, что через определенное время запах в комнате (например, сигаретного дыма) больше не ощущается. Обонятельная система адаптируется. Этот процесс основывается на периферических (рецепторный уровень) и центральных (митральные клетки, кора) механизмах.

В каждом случае адаптация ограничивается определенной воспроизводимой группой запахов. Если вы привыкаете к сигаретному дыму, то несмотря на это сможете все-таки ощутить аромат кофе. Благодаря исследованиям перекрестной адаптации удалось выделить десять различных классов запахов, которые частично пересекаются с теми, что описал Эймур.

Аносмии. В третьем подходе, больше подходящем для клинических исследований, используется тот факт, что у человека есть врожденное нарушение восприятия определенных групп запахов (частичные аносмии). По всей видимости, у этих людей нет рецепторных молекул для распознавания таких запахов. На сегодняшний день описаны семь различных типов аносмий (табл. 19.4). Все описанные подходы указывают на существование примерно десяти возможных классов запахов. Однако точно на этот вопрос ответит только функциональная характеристика всех 350 типов обонятельных рецепторов человека (см. 19.2).

19.2. Нарушение обоняния

Формы протекания. Говоря о нарушениях обоняния, можно выделить различные по тяжести формы:

•аносмия характеризуется абсолютной утратой обоняния;

•частичной аносмией называется утрата восприятия некоторых классов запахов;

•гипосмия — ослабление обонятельных ощуще-

ний.

Причина. Нередко частичные нарушения обоняния генетически обусловлены, причем обычно причиной являются дефекты рецепторных белков, реже нарушения центральных механизмов. Врожденная абсолютная аносмия — очень редкое заболевание. Чаще всего оно описывается при синдроме Кальмана, а также при синдроме Тернера (ХО). Большинство нарушений обоняния связано с нарушением респираторной функции или проведения сигнала. Наряду с гриппозными гипосмиями и аносмиями сюда относятся инородные тела в носу, опухоли, полипы и фармакохимические и промышленные загрязнители (соединения свинца, цианида и хлора). Нарушения обоняния, причина которых находится в центральных структурах, обычно обусловлены травматическими, дегенеративными или органическими процессами в мозге. Важную роль здесь играют тяжелые черепно-моз- говые травмы, а также субдуральные кровоизлияния и опухоли передней части черепа. При некоторых видах шизофрении и эпилепсии встречаются обонятельные галлюцинации, а ранним симптомом нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона, служит выраженная гипосмия.

Трансдукция сигнала

Все молекулы, принимающие участие в процессе трансдукции, а именно молекула рецептора, G-бе- лок и ионный канал в настоящий момент выделены и секвенированы. Для рецепторных белков существует семейство генов, включающее примерно 350 членов (предположительно, самая крупная группа в человеческом геноме), которые обычно расположены кластерами на всех хромосомах (кроме хромосомы 20 и хромосомы Y). Они очень похожи друг на друга по своей молекулярной структуре и принадлежат к суперсемейству рецепторов, связанных с G-белками (β-адренергические

рецепторы, родопсин, М-холинорецепторы). Все рецепторы данной группы имеют семь трансмембранных доменов (рис. 19.7А и Б). Каждая обоня-

Таблица 19.4. Перечень некоторых частичных аносмий у человека

тельная клетка экспрессирует, предположительно, лишь один или несколько типов рецепторных белков, так что среди обонятельных сенсорных клеток есть примерно 350 групп с разной специализацией (рис. 19.7В). С помощью техники гибридизации in situ было доказано такое расположение специфических рецепторных нейронов в четырех зонах экспрессии — симметрично для обеих сторон носа (рис. 19.7Г). Это основа хемотопии обонятельной системы.

Трансдукция сигнала. Контакт между ароматическим веществом и рецептором активирует внутриклеточный механизм усиления сигнала (каскад вторичных посредников) (рис. 19.8А). Биохимические исследования показали, что связывание обусловливающей запах молекулы со специфическим рецептором активирует Golf-протеин и, в свою очередь, фермент аденилатциклазу. Это приводит к тому, что концентрация цАМФ в клетке быстро растет и затем снова снижается. С помощью техники пэтч-кламп (patch clamp) стало возможно извлечь из очень тонких структур, например ресничек обонятельных рецепторов (<0,5 мкм), маленькие участки мембраны (рис. 19.8Б). Эксперименты показали при этом, что с цитозольной стороны клеточной мембраны можно с помощью цАМФ напрямую открыть ионные каналы, проницаемые для одно- и двухвалентных катионов (рис. 19.8В). Они принадлежат к подгруппе ионных CNG-кана- лов, активируемых циклическими нуклеотидами (цАМФ/цГМФ) (см. также раздел о зрительной трансдукции). Активация единственного рецептора ароматической молекулой может привести к образованию 1000–2000 молекул цАМФ и открыванию соответствующего числа ионных каналов. Это объясняет существование очень низких пороговых концентраций для определенных ароматических веществ. Входящие в клетку катионы (Na+, Ca2+) деполяризуют клетку, что приводит к генерации рецепторного потенциала. Входящий в клетку Са2+ может дополнительно активировать Са2+-зависимые хлорные каналы (ТМЕМ16b) и благодаря увеличению выхода ионов Cl– из клетки способствовать

усилению ее возбуждения. При переходе к аксону эти локальные потенциалы приводят к увеличению частоты генерации потенциалов действия.

Адаптация. Для CNG-каналов была обнаружена функционально важная чувствительность к кальцию. Чем меньше ионов кальция на внутренней стороне мембраны, тем выше вероятность открывания канала. Поскольку канал проницаем для Са2+, через некоторое время после его открывания повышается внутриклеточная концентрация кальция, что при содействии кальмодулина приводит к закрыванию канала (рис. 19.8Г). Данный процесс способствует адаптации на клеточном уровне.

Электрические сигналы клеток

!Реакции сенсорных клеток на обонятельные стимулы можно зарегистрировать даже на молекулярном уровне с помощью электрофизиологических методов.

Электрофизиологические методы (электроольфактограмма, регистрация рецепторных по-

на обонятельные стимулы. Амплитуда клеточного потенциала или частота генерации потенциалов действия зависит от раздражающего вещества и его концентрации (рис. 19.8Д). В зависимости от типа ароматического вещества клетка может реагировать увеличением частоты импульсов или снижением уровня спонтанной разрядки. Уже в течение долгого времени известен метод регистрации суммарного возбуждения крупных областей слизистой оболочки носовой полости у позвоночных, электроольфактограмма (ЭОЛГ). Технически она эквивалентна ЭЭГ и аналогичным методам. ЭОЛГ позволяет зарегистрировать увеличение амплитуды клеточного ответа после предъявления ароматического вещества. При увеличении интенсивности стимула амплитуда ответа линейно повышается. При этом равные концентрации веществ со сходной молекулярной структурой могут вызывать ответы разной амплитуды.

Коротко

Классы запахов

на основе имеющихся у нас знаний о схожести запахов, аносмии и перекрестной адаптации. На сегодняшний день выделяют семь основных классов запахов; молекулярная основа для этого выделения до сих пор неизвестна.

Обонятельные рецепторы у человека кодируются семейством генов, состоящим из 350 членов, весьма схожих по молекулярной структуре. Это количество позволяет нам охватить весь спектр запахов. Рецепторы, специфичные для своего класса

пахучих веществ, распределяются в эпителии носа по нескольким зонам экспрессии, что отчасти лежит в основе хемотопии обонятельной системы.

Трансдукция сигнала

Трансдукция сигнала осуществляется путем повышения концентрации цАМФ в клетке; цАМФ способен напрямую открывать канал, через который катионы (Na+ и Ca2+) могут проникать в клетку. При участии Са2+-зависимого хлорного канала это приводит к возбуждению клетки.

Данный внутриклеточный механизм усиления сигнала объясняет, как при очень низкой предельной концентрации какого-либо вещества возможно обнаружить запах.