Фізіологія людини - Вільям Ф. Ґанонґ 2002

Функції нервової системи
Нюх та смак
Нюх

Нюхова слизова оболонка

Нюхові рецепторні клітини локалізовані у спеціалізованій ділянці слизової оболонки носа - у так званій нюховій слизовій оболонці, що вирізняється жовтуватим забарвленням. У собак та інших тварин із високорозвиненим нюхом (макросматичні тварини) площа нюхової ділянки велика; у мікросматичних тварин та людини вона незначна. Нюхова ділянка у людини охоплює 5 см² площі даху носової порожнини біля носової перегородки (рис. 10-1). Тут містяться підтримувальні клітини, клітини-попередники рецепторних клітин та 10-20 мільйонів рецепторних клітин. Кожна нюхова рецепторна клітина є нейроном, тому нюхову слизову оболонку вважають ділянкою тіла, де нервова система перебуває у найтіснішому контакті із зовнішнім світом. Кожний нюховий нейрон має короткий товстий дендрит з розширеним закінченням - нюховою паличкою (рис. 10-2). Від нюхових паличок до поверхні слизової оболонки проходять нюхові війки. Кожна війка має довжину 2 мкм та діаметр 0,1 мкм. Кожний рецепторний нейрон утворює 10-20 нюхових війок. Аксони

нюхових рецепторних нейронів через решітчасту пластинку решітчастої кістки проникають до нюхових цибулин мозку.

Нюхові рецепторні нейрони подібні до смакових рецепторних клітин (див. нижче) і на відміну від інших видів нейронів, постійно відновлюються з півперіодом у кілька тижнів. Процес відновлення нюхових рецепторних клітин регульований різноманітними чинниками; зокрема, з’ясовано, що кістковий морфогенетичний білок (BMP - від англ. bone morphogenic protein) виявляє стосовно цих клітин інгібіторний ефект. BMP утворює велику родину факторів росту, для яких спершу описаний регуляторний вплив на ріст кісток, а згодом виявлено участь у регулюванні росту і розвитку більшості тканин організму, у тім числі нервової.

Нюхова слизова оболонка постійно вкрита слизом, який продукують залози Боумена, що локалізовані безпосередньо під базальною мембраною нюхової ділянки.

Рис. 10-1. Нюхова слизова оболонка (відтворено за дозволом з Waxman SG: Correlative Neuroanatomy. 24th ed. McGraw-Hill, 2000).

Рис. 10-2. Будова нюхової слизової оболонки.

Нюхові цибулини

У нюхових цибулинах аксони рецепторних нейронів контактують з первинними дендритами митральних та пучкових клітин (рис. 10-3), формуючи складні синапси кулястої форми, які називають нюховими клубочками. Пучкові клітини менші від митральних і мають тонші аксони, проте обидва ці клітинні типи надсилають аксони до слухової кори та інших ділянок мозку і з погляду виконання функцій подібні. До одного нюхового клубочка в середньому сходяться 26 000 аксонів нюхових рецепторних клітин. Окрім митральних та пучкових клітин, у нюхових цибулинах локалізовані приклубочкові клітини, які виконують функцію гальмівних нейронів, що сполучають клубочки між собою, а також зернисті клітини, які не мають аксонів і формують реципрокні синаптичні контакти з латеральними дендритами митральних та пучкових клітин (див. рис. 10-3). За участю цих синапсів митральні та пучкові клітини збуджують зернисті клітини шляхом вивільнення глютамату, а синаптичні зони зернистих клітин, відповідно, пригнічують митральні та пучкові клітини, вивільняючи ГАМК. Фізіологічне значення такої будови розглянуто нижче.

Нюхова кора

Аксони митральних та пучкових клітин проходять дозаду через проміжні та латеральні нюхові смуги до нюхової кори. Вони закінчуються на апікальних дендритах пірамідних клітин цієї кори. У людей принюхування активує грушоподібну кору, проте самі по собі запахи - як з принюхуванням, так і без нього - активують бічні та передні очнолобові закрутки лобової частки. Очно-лобове активування, звичайно, є сильнішим праворуч, аніж ліворуч. Отже, кіркове нюхове представництво асиметричне. Інші волокна проектуються до мигдалеподібних тіл, які, правдоподібно, пов’язані з емоційним реагуванням на подразнення запахами, а також до внутрішньонюхової (ендоринальної) кори, яка забезпечує нюхову пам’ять.

Рис. 10-3. Головні нейронні ланцюги нюхової цибулини. Зверніть увагу на те, що нюхові рецепторні клітини з одним типом рецепторів до ароматних речовин проектуються на один нюховий клубочок (НК), клітини з рецепторами до ароматних речовин іншого типу проектуються на інший нюховий клубочок; РП - решітчаста пластинка; ПК - приклубочкова клітина; М - митральна клітина; П - пучкова клітина; З - зерниста клітина (модифіковано з Mori К, Nagao Н, Yoshihara Y: The olfactory bulb: coding and processing of odor molecular information. Science 1999:286;711).

Пороги нюхових відчуттів та розрізнення запахів

Нюхові рецептори реагують лише на речовини, що контактують з нюховим епітелієм і розчиняються у тонкому шарі слизу, яким цей епітелій вкритий. Пороги нюхових відчуттів, наведені у табл. 10-1, відображають надзвичайно високу чутливість нюхових рецепторів до деяких речовин. Наприклад, метилмеркаптан, - один із складників часнику, можна відчути на нюх при концентрації до 500 пікограм/літр повітря. Окрім того, надзвичайно високою є здатність розрізняти запахи; наприклад, людина може розрізнити понад 10 000 різних запахів. З іншого боку, здатність до розрізнення інтенсивності запаху розвинена доволі слабко: концентрація запашної речовини у повітрі повинна змінитися щонайменше на 30%, щоб ця зміна стала відчутною. Для порівняння, око здатне розрізняти близько 1% зміни освітлення. Джерело запаху можна виявити на підставі незначної відмінності у часі надходження запашної речовини до кожної ніздрі.

Таблиця 10-1. Пороги нюхового відчуття деяких речовин¹

¹ Дані з Allison VC, Katz SH. J Ind Chem 1919; 11:336

Молекули запашних речовин, як звичайно, невеликі, вони містять від 3-4 до 10-20 атомів вуглецю; молекули з однаковою кількістю вуглецевих атомів, проте з іншою конфігурацією молекули, мають різні запахи. Речовини, що сильно пахнуть, мають порівняно високу розчинність у воді та ліпідах.

Передавання сигналів

Останніми роками системі нюху приділяли досить значну увагу з огляду на таке запитання: як такий доволі простий орган чуття, яким є нюхова слизова оболонка, без достатньо складного кіркового представництва, дає змогу розрізняти понад 10 000 різноманітних запахів. Перша частина відповіді пов’язує цей феномен з наявністю великої кількості нюхових рецепторів; друга частина зумовлена здатністю нюхових клубочків відігравати роль детекторів образів.

У миші налічують близько 1 000 різних рецепторів запахів; приблизно така ж кількість характерна і для людини. Оскільки геном людини має лише близько 50-100 тис. генів, то це означає, що приблизно 1% усього геному залучено до продукування нюхових рецепторів. Отже, гени, які забезпечують нюхові відчуття, є найбільшою родиною генів, виявленою до цього часу у ссавців; їхня кількість перевищує кількість імуноглобулінових генів та генів рецепторів Т-лімфоцитів, разом узятих. Усі рецептори запаху приєднані до гетеротримерних G-білків. Частина їх діє через аденілатциклазу і цАМФ, інші - через фосфоліпазу С та продукти гідролізу фосфатидилінозитолу. Більшість з них відкриває катіонні канали, зумовлюючи зворотний потік Са²⁺.

Незважаючи на те, що різних рецепторів налічують 1 000, людина може розрізнити у 10 разів більшу кількість запахів. Відповідно, повинен бути додатковий механізм їхнього розрізнення. Цей механізм виявився пов’язаним з нюховими клубочками, які діють як детектори образів, що надсилають сигнали різної послідовності до нюхової кори. Кожний клубочок отримує імпульси від рецепторів лише одного типу (див. рис. 10-3); кожний тип рецептора здатний реагувати на різноманітні запашні речовини, тобто кожний запах може бути розпізнаний значною кількістю нюхових рецепторів. Отже, кожен запах творить свою характерну комбінацію активованих клубочків, за якою їх і розпізнає мозок. Прямі докази цієї гіпотези отримані на щурах з використанням методу оптичних зображень: запашні речовини з мінімальною різницею у будові молекули, проте з різним запахом, зумовлювали утворення різних комбінацій клубочкового активування.

У нюхових клубочках відбувається латеральне гальмування активності за участю приклубочкових та зернистих клітин. Таким способом загострюються і фокусуються нюхові сигнали. Окрім цього, позаклітинний потенціал поля кожного клубочка зазнає постійних коливань, і зернисті клітини регулюють їхню частоту. Фізіологічне значення цього коливання остаточно не з’ясоване, та, ймовірно, воно також сприяє фокусуванню нюхових сигналів, що надходять до кори мозку.

Нюхові стимули усувають протеїнкінази та ензими, що каталізують ковалентну модифікацію молекул пахнучих речовин.

Білки, що зв’язують запашні речовини

На противагу характерному для інтактної нюхової слизової оболонки низькому порогові збудження поодинокі нюхові рецептори, які зазнали групового подразнення, мають порівняно високий поріг збудження і довгий латентний період. Крім того, ліпофільні молекули, перш ніж досягти нюхових рецепторів, повинні перейти через шар гідрофільного слизу. Ці факти стали основою гіпотези про наявність одного або більшої кількості білків, що концентрують запашні речовини і доносять їх до рецепторів. Таким уважають нещодавно ізольований унікальний для носової порожнини білок молекулярної маси 18 кД, ймовірна також наявність споріднених до нього білків. Цей білок має значну гомологію з іншими білками людського тіла, які відіграють роль носіїв для малих ліпофільних молекул. Подібний зв’язувальний білок пов’язаний зі смаком (див. нижче).

Лемешево-носовий орган

У гризунів та інших ссавців у носовій порожнині локалізована додаткова ділянка нюхової слизової оболонки, відокремлена у вигляді добре розвиненого лемешево-носового (вомероназального) органа (орган Якобсона). Цей утвір пов’язаний зі сприйняттям запахів, що діють як феромони (див. Розділ 15). Рецептори лемешево-носового органа проектуються на додаткову нюхову цибулину, а звідти - переважно на ділянки мигдалеподібного тіла та гіпоталамуса, що пов’язані з репродукцією і харчовою поведінкою. Подразнення, що надходять від лемешево-носового органа, мають вирішальний вплив на ці функції. Прикладом може слугувати блокування вагітності у миші: феромони самця перешкоджають настанню вагітності в разі парування з самкою іншої лінії; у випадку парування самки і самця однієї лінії подібне блокування вагітності не виникає. Лемешево-носовий орган містить близько 30 серпентинових нюхових рецепторів, структура яких суттєво відрізняється від решти нюхового епітелію.

Лемешево-носовий орган у людини розвинутий незначно, проте наявна анатомічно відокремлена та біохімічно унікальна ділянка нюхової слизової оболонки у ямці передньої третини носової перегородки, яка, правдоподібно, є його гомологом. Відомі докази наявності феромонів людини, а також тісного зв’язку між запахами і статевою функцією. Додатковим доказом цього слугує використання парфумів. Уважають, що нюхові відчуття гостріші у жінок, аніж у чоловіків, причому максимальної гостроти вони набувають під час овуляції. Запах і, менше, смак мають унікальну здатність зумовлювати довготривалі спогади. Цей факт спершу помітили письменники, а пізніше експериментально довели психологи.

Принюхування

Частина носової порожнини, у якій містяться нюхові рецептори, погано вентильована. В нормі більша частина повітря під час кожного дихального циклу плавно проходить через носові мушлі, хоча турбулентний рух спрямовує частину повітря до нюхової слизової оболонки. Ці турбулентні повітряні потоки, ймовірно, зумовлені контактом холодного повітря з нагрітою поверхнею слизової оболонки. Об’єм повітря, що досягає нюхових ділянок, значно збільшується в разі принюхування. Процес принюхування полягає у зближенні нижньої частини ніздрів до носової перегородки для спрямовування повітряних потоків догори. Принюхування є напіврефлекторною реакцією на появу у повітрі нового запаху, що зацікавив.

Роль больових рецепторів носової порожнини

У нюховій слизовій оболонці містяться вільні нервові закінчення багатьох больових нервових волокон трійчастого нерва. Їх стимулюють подразнювальні речовини і подразнювальний трійчастий компонент є частиною характерного «запаху» таких речовин, як перцева м’ята, ментол та хлор. Больові нервові закінчення зумовлюють чхання, сльозогінність, затримку дихання та інші рефлекторні відповіді на нюхові подразники.

Адаптація

Відомо, що людина поступово перестає сприймати навіть найнеприємніший запах, постійно перебуваючи в його оточенні. Це інколи корисне явище є наслідком надзвичайно швидкої адаптації, або десенситизації, що характерна для нюхової системи. Адаптація стосується лише конкретної речовини, поріг подразнення для інших речовин незмінний. Принаймні частково цей факт зумовлений центральними механізмами і, очевидно, пов’язаний з гіперполяризацією кіркових нейронів.

Аномалії нюху

До аномалій нюху належать аносмія (відсутність нюхових відчуттів), гіпосмія (погіршення нюхових відчуттів) та дизосмія (спотворення нюхових відчуттів). У людини виявлено кілька десятків різноманітних аномалій. У кожному конкретному випадку вони, ймовірно, зумовлені відсутністю або порушеннями функції одного з численної родини нюхових рецепторних генів. З віком пороги нюхових відчуттів підвищуються; понад 75% осіб у віці 80 років і старших мають порушене сприйняття запахів. Аносмію, пов’язану із гіпогонадизмом (синдром Кальмана), розглянуто у Розділах 14 та 23.