Клеточные и молекулярные механизмы обоняния

Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова.

Биологический факультет

Кафедра клеточной биологии и гистологии

Клеточные и молекулярные механизмы обоняния

Курсовая работа

Выполнила: студентка 3 курса

Луферова Александра Викторовна

Москва, 2012 г.

Введение

Органы чувств (анализаторы) играют ключевую роль в восприятии животными окружающего мира. В жизни млекопитающих особую роль играет обонятельный анализатор. Но у человека значение этого органа чувств почти потеряло свое изначальное значение. Считается, что на долю обоняния приходится только 2 - 4 % поступающей в мозг информации (16). Несравнимо больше используются слух - примерно 10-15 %, и зрение - примерно 80 - 90 % информации об окружающем мире приходит через сетчатку глаз. На самом деле, в человеческом обществе принято недооценивать значение обоняния в жизни людей. Замечено, что люди с нарушенным обонянием чаще получают пищевые отравления. Так как вкус пищи в основном складывается благодаря активности обонятельного эпителия. (14)

Именно из-за этого, казалось бы, «небольшого» значения обонятельной системы (всего 2-4% информации об окружающем мире!), ученые долгое время не удостаивали ее вниманием. Хотя, возможно никто до Линды Бак не знал (или не задумывался), как к этому подступиться. И даже в 21 веке обоняние оставалось неисследованной областью, в отличие от слуха и зрения.

В 2004 г была получена Нобелевская премия в номинации «выдающееся открытие в области физиологии или медицины» за исследование «обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния». Двум американским ученым - Линде Бак и Ричарду Акселю удалось проникнуть в тайну организации механизмов обоняния. Ими было обнаружено целое семейство обонятельных генов - их около тысячи. Раньше о них ничего не было известно. Сначала исследование проводилось на мышах, затем были исследованы обонятельные гены человека (что проще, так как у человека обоняние развито хуже, и генов меньше). Каждый ген определяет один белок (обонятельный рецептор), отвечающий за свою группу запахов; каждый нейрон обонятельного эпителия кодирует только один вид белка-рецептора, тогда как остальные обонятельные гены подавляются.

Запах обычно является смесью различных молекул, активирующих разные обонятельные рецепторы - «хорошее вино или созревшая на солнце земляника активирует целый спектр обонятельных рецепторов». И одно пахучее вещество - может активировать рецепторы нескольких типов (то есть один рецептор может активироваться разными молекулами) - просто с разной интенсивность - какие-то сильнее, какие-то слабее. Именно поэтому запахи такие многогранные - мы слышим разные их оттенки, и это еще зависит от того, какие именно рецепторы активировались, и от концентрации одоранта во вдыхаемом воздухе. Нейроны обонятельного эпителия посылают информацию о запахах в мозг - в кортекс (интеграция всей информации, и ее осмысление) и в лимбическую систему (возникновение эмоций и поведенческих реакций; лимбическая система интегрирует эмоции и память).

После освещения в прессе в 2004 году открытия Линды Бак и Ричарда Акселя (1991), многие ученые заинтересовались этой областью и начали активно заниматься изучением обонятельной системы. Это может иметь и прикладное значение, например, по словам Линды Бак, ее открытие способно «дать более точное представление о человеческом организме. Используя обонятельные рецепторы в качестве молекулярного обонятельного инструмента, мы можем исследовать мозг и составить более точное и полное представление о том, как он работает». Есть идеи создать «биосенсор» - прибор, который будет улавливать различные пахучие вещества - и будет эффективно определять наркотики или взрывчатку. Так же в трансплантологии нейроны обонятельного эпителия (базальные мультипотетные клетки, из которых они развиваются), рассматриваются как источник нервных клеток при различных повреждениях нервной системы, а также при нейродегенеративных болезнях. Еще есть надежда создать искусственный нос - при нарушенном обонянии, аносмии, возможно будет сделать искусственные плато из графитовых нанотрубочек и посаженных на них различных обонятельных рецепторов - их должно быть около 350 различных видов, чтобы воссоздать искусственно строение обонятельного эпителия человека.

обонятельный нервный рецептор эпителий

1. Открытие Линды Бак и Ричарда Акселя

Считается, что Бак и Акселю удалось «открыть человечеству дверь в область обоняния», область, совершенно не исследованную до этого. Они выяснили, что существуют несколько сотен генов (около тысячи), каждый из которых связан с обонятельным рецептором, причем число таких обонятельных генов может достигать 5-10% всех генов животных.

Еще в 1991 Бак и Аксель опубликовали статью, в которой рассказали об открытии нового класса генов, обуславливающих существование в организме человека до 1000 рецепторов обоняния. Они выяснили, что эти рецепторы расположены на поверхности обонятельных рецепторных клеток, которые занимают сравнительно небольшой участок верхней части носового эпителия. Задача клеток состоит в улавливании молекул запаха в качестве начального шага в их выявлении и распознавании, при этом Бак и Акселю удалось разгадать механизм того, как люди могут запоминать и представлять в своем воображении различные запахи даже в тот момент, когда этих запахов нет в действительности, например, запах листвы зимой или различных духов.

До открытия Бак и Акселя исследователи пытались понять механизм работы рецепторов обоняния, измеряя активность тех или иных нервов в ответ на внешние раздражители. Они подсоединяли электроды к обонятельному нерву и давали животным «нюхать» различные запахи, однако выяснить удалось лишь то, что один и тот же нейрон реагировал на разные молекулы запаха, но как именно он их распознавал, было неясно.

Бак предложила остроумный путь, резко сузивший поиск генов, отвечавших за работу рецепторов обоняния, она показала, что эти рецепторы напоминают по своему строению зрительный рецептор родопсин, относящийся к классу 7-доменных белков. Кроме того, гены обонятельных рецепторов отличались от остальных 7-доменных белков, и работали лишь в одном месте - слизистой оболочке носа.

Это позволило Бак и Акселю исследовать организацию всей системы органов обоняния. Они также выяснили, что в мозге человека на одну молекулу пахучего вещества реагируют сразу несколько рецепторов, причем одни слабее, другие сильнее, что помогает мозгу распознавать запахи. Бак и Аксель создали подобие «карты обонятельной системы», распознав коды, которые получает мозг, реагируя на тот или иной запах, а также определить, как в ответ на раздражение меняется поведение животных или человека.

Открытие Бак и Акселя поможет создать систему искусственных обонятельных биосенсоров, подобных острому чутью животных, которые не только способны искать предметы или взрывчатку, но и диагностировать различные заболевания. Искусственные биосенсоры смогут улавливать и регистрировать все, что чувствует и воспринимает животное, создание таких приборов может совершить настоящий переворот в медицине.

Нобелевская премия 2004 по физиологии и медицине была присуждена Линде Бак вместе с Ричардом Акселем за вклад в изучение организации системы органов обоняния человека и животных. Первая статья этих ученых, раскрывающая тайну обоняния, была опубликована за 13 лет до этого события, в 1991.

Сейчас Бак занимается нейрофизиологией, изучая, как информация, поступающая от органов чувств, попадает в мозг и обрабатывается в нем, как создаются обонятельные, осязательные, зрительные, звуковые или вкусовые образы предметов и живых организмов изучает она и механизмы старения человеческого организма и методы определения продолжительности жизни индивидуумов. (15)

. Основной план организации обонятельной системы

Обонятельный анализатор представлен двумя системами - основной и дополнительной (вомероназальной). Каждая из этих систем состоит из трех частей: периферической (органы обоняния), промежуточной (включает в себя аксоны нейросенсорных обонятельных клеток и нервных клеток обонятельных луковиц) и центральной (ее локализация для основной обонятельной системы - гиппокамп коры больших полушарий) (рис. 1, 2).

Основной орган обоняния (organum olfactus), периферическая часть сенсорной системы, представляет собой ограниченный участок слизистой оболочки носа - обонятельную область. Эта область занимает верхнюю и частично среднюю раковины носовой перегородки. Внешне обонятельная область отличается от респираторной части слизистой оболочки желтоватым цветом (Афанасьев и др., 2004).

Рис. 1. Обонятельный анализатор. Пояснения: Olfactory Mucosa - обонятельная слизистая оболочка, Vomeronasal Nerves - вомероназальные нервы, Main Olfactory Bulbs - главные обонятельные луковицы, Accessory Olfactory Bulbs - дополнительные обонятельные луковицы, Cortex - кора головного мозга, Preoptic Area and Hypothalamus - преоптическая область и гипоталамус, Thalamus - таламус, Hippocampus - гиппокамп, Amygdala - миндалина, Olfactory Nerves - обонятельные нервы, Vomeronasal Organ - вомероназальный орган. (26)

Вомероназальный, или Якобсонов, орган (organum vomeronasale Jacobsoni) является периферической частью вомероназальной, или дополнительной, обонятельной системы. Он представляет собой парную закладку - парные эпителиальные трубки, лежащие в перегородке носа. Они замкнуты с одной стороны, а другой открываются в полость носа. У человека вомероназальный орган расположен в соединительной ткани основания передней трети носовой перегородки по обе ее стороны на границе между хрящом перегородки и сошником.

Рис. 2. Общее строение обонятельной системы на примере крысы. Взаиморасположение основного обонятельного эпителия и вомероназального эпителия. Обозначения: А (саггитальный срез): ДОЛ - дополнительная обонятельная луковица, ОЛ - обонятельная луковица, ОЭ - обонятельный эпителий, ВНО - вомероназальный орган, Б (фронтальный срез), В - общий вид вомероназального эпителия. (25)

. Общие принципы строения обонятельного эпителия

Обонятельный эпителий покрывает слизистую оболочку верхней носовой раковины. Слизистая оболочка в этой части состоит из одного слоя призматического многорядного эпителия (высотой 60 - 90 мкм) и собственной пластинки, прикрепляющейся к надкостнице или надхрящнице носовых костей. Обонятельный эпителий включает в себя клетки трех типов: поддерживающие призматические эпителиоциты, базальные клетки и собственно сенсорные клетки - нейроны.

Из базальных клеток образуются новые нейроны, и по некоторым источникам еще и поддерживающие эпителиоциты. Т.е. базальные клетки представляют собой пул мультипотентных клеток - «потомки» транзиторных клеток, образовавшихся из стволовых клеток эпендимы желудочков мозга. Нейроны обонятельного эпителия биполярны, имеют два отростка - периферический и центральный. Периферический смотрит в просвет носовой полости и имеет на конце небольшое расширение - обонятельную булаву, на которой сидят 10 - 20 обонятельных волосков - неподвижных вытянутых образований (по другой версии - подвижных - Афанасьев и др., 2004), на которых сидят рецепторы, ловящие запаховые молекулы - одоранты.

Рис. 3. Строение обонятельного эпителия. (1)

Обонятельные реснички располагаются параллельно слою клеток в специальной жидкости (слизи), которая их покрывает. Второй отросток каждого сенсорного нейрона - центральный - он выходит через слой собственной пластинки эпителия и устремляется через решетчатую кость в обонятельную луковицу. Центральные отростки нейронов объединяются в обонятельные нити (fila olfactoria), которые в совокупности (20 - 40 нитей) образуют безмиелиновый обонятельный нерв. Якобсонов орган имеет свой собственный одноименный нерв - вомероназальный (у него есть еще и терминальный нерв), соединяющий вомероназальный орган с его собственным представительством в головном мозге - добавочными обонятельными луковицами, располагающимися дорсально-медиально над основными обонятельными луковицами. Основное отличие эпителия вомероназального органа и основного эпителия - это то, что у эпителия вомероназального органа реснички неподвижны, в отличие от ресничек основного обонятельного эпителия. (Афанасьев и др., 2004).

Продолжительность жизни обонятельных клеток - 30 - 40 дней, т.е. происходит постоянное обновление слоя нейронов из тех самых базальных клеток. В общем, это исключение, если сравнивать эту популяцию нервных клеток с другими. Рецепторные клетки обонятельной выстилки регистрируют 25 - 35 первичных запахов, но их комбинации создают много миллионов воспринимаемых запахов. Нейроны обонятельной выстилки человека располагают примерно тремя сотнями (~330) различных рецепторов к пахучим веществам (всего найдено около 1000 генов обонятельных рецепторов у человека - но работает из них только треть). В каждом нейроне экспрессируется только один ген рецептора к запаховой молекуле, но каждый рецептор распознает множество пахучих веществ. Таким образом, конкретный запах зависит от комбинации активированных рецепторов (Улумбеков, 2009).

. Обонятельный мозг (Rhinencephalon)

Понятие обонятельного мозга пришло из старой анатомической номенклатуры. Такой отдел выделить в головном мозге невозможно, поскольку в него искусственно введены структуры, совершенно различные как по происхождению, так и по функции. Под этим названием объединяют ряд структур, которые долгое время ошибочно считали древними образованиями, предшествовавшими развитию неокортекса человека.

Обонятельный отдел конечного мозга подразделяют на периферическую и центральную части.

К периферической части обонятельного отдела относятся следующие структуры: обонятельная луковица (bulbus olfactorius); обонятельный тракт (tractus olfactorius); обонятельный треугольник (trigonum olfactorium); медиальная обонятельная извилина (gyrus olfactorius medialis); латеральная обонятельная извилина (gyrus olfactorius lateralis) - околообонятельная область (area parolfactoria); переднее продырявленное вещество (substantia perforate anterior).

Центральная часть обонятельного отдела является весьма сложным образованием, которое включает в себя несколько основных мозговых центров обонятельной системы. В нее входят: - сводчатая извилина (gyrus fornicatus) (сводчатая извилина в свою очередь состоит из трех извилин: поясной извилины, перешейка и гиппокампальной извилины ); крючок гиппокампа (морского конька) (uncus hippocampi) - зубчатая извилина (gyrus dentatus); серый покров (indusium griseum) (серый покров - это тонкий слой серого вещества на верхней поверхности мозолистого тела ); гиппокамп (морской конек, аммонов рог) (hippocampus).

Центральная и периферическая части обонятельного мозга связаны между собой и представляют целостную систему первичных и вторичных центров, контролирующих обоняние. Большая часть структур обонятельного мозга (поясная извилина, зубчатая извилина, гиппокамп) входят в лимбическую систему. (4)

. Лимбическая система

Лимбическая система представляет собой функциональное объединение структур мозга, участвующих в организации эмоционально-мотивационного поведения, таких как пищевой, половой, оборонительный инстинкты. Эта система участвует в организации цикла бодрствование-сон.

Лимбическая система как филогенетически древнее образование оказывает регулирующее влияние на кору большого мозга и подкорковые структуры, устанавливая необходимое соответствие уровней их активности.

Структуры лимбической системы включают в себя 3 комплекса. Первый комплекс - древняя кора (препериформная, периамигдалярная, диагональная кора), обонятельные луковицы, обонятельный бугорок, прозрачная перегородка. Вторым комплексом структур лимбической системы является старая кора, куда входят гиппокамп, зубчатая фасция, поясная извилина. Третий комплекс лимбической системы - структуры островковой коры, парагиппокамповая извилина. И, наконец, в лимбическую систему включают подкорковые структуры: миндалевидные тела, ядра прозрачной перегородки, переднее таламическое ядро, сосцевидные тела. Особенностью лимбической системы является то, что между ее структурами имеются простые двусторонние связи и сложные пути, образующие множество замкнутых кругов. Такая организация создает условия для длительного циркулирования одного и того же возбуждения в системе и тем самым для сохранения в ней единого состояния и навязывание этого состояния другим системам мозга. (17)

. Обновление нервных клеток в обонятельной системе

Ранее считалось, что нервные клетки не обновляются. Это было взято за аксиому в нейробиологии с момента обоснования нейронной теории Сантьяго Рамон-и-Кахалем в начале 20 века. От положения, что нервные клетки происходят от нейробластов, дифференцируются, и к делению больше не способны, пришли к догматичному утверждению, что мозг взрослого организма не способен к регенерации и восстановлению. Было принято считать, что если мозг млекопитающих сформирован окончательно, то в нем не идет образование новых нервных клеток, что количество нейронных связей постоянно. Но недавно открыли несколько локальных точек нервной системы, где новообразование нервных клеток идет очень активно. Существует несколько участков, где происходит постоянное обновление нервных клеток - нейрогенез. В этих местах обнаруживаются меченые - т.е. заново образованные нервные клетки, в которых ДНК помечено методом радиоавтографии, в неокортексе, гиппокампе и обонятельных луковицах. В эпендиме, выстилке желудочков мозга, существует пул нервных клеток, который мало делится, но зато популяция, образующаяся в результате нескольких делений этого пула, очень активно делятся. Образуются группы транзиторных клеток, которые могут мигрировать в разные отделы нервной системы. Хорошо известен путь стволовых клеток расселяющихся от полости желудочков мозга в обонятельные луковицы (ростральный миграционный путь). Там из потомков этих пришедших клеток образуются митральные клетки (или гломерулы) с многочисленными синаптическими контактами с приходящими из обонятельного эпителия аксонами сенсорных нейронов обонятельного эпителия.

На сегодняшний день установлено, что в системе обонятельного анализатора в постнатальный период времени функционируют два независимых пула стволовых клеток. Один из них расположен в обонятельной выстилке под обонятельным эпителием, а другой - в эпендиме желудочков головного мозга (в субвентрикулярной зоне - SVZ). Он необходим для обновления интернейронов обонятельных луковиц.

Обновление нейронов обонятельного эпителия

Гибель и регенерация обонятельного эпителия описана еще в 40х годах. Обонятельные нейроны живут 4 - 6 недель. Затем - апоптоз. Глиальные клетки (имеют признаки астроцитов, леммоцитов и олигодендроцитов) обеспечивают рост аксонов. При гибели обонятельных нейронов гибнут и их аксоны с синапсами на дендритах нейронов обонятельных клеток (митральных и пучковатых клеток).

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая клеточный состав обонятельного эпителия, дегенерация обонятельных рецепторных нейронов и формироване новых рецепторных нейронов, пролиферирующими стволовыми и мигрирующими прогениторными (молодые нейроны-предшественники) клетками.

ОРН - обонятельные рецепторные нейроны; ОГК - обкладочные глиальные клетки; ОК - опорные клетки; ОН - обонятельный нерв; ГСК - горизонатльные стволовые клетки; ШСК - шаровидные стволовые клетки. Стрелками показаны последовательные стадии дифференциации стволовых клеток обонятельного эпителия.

Было доказано разными экспериментами, что стволовые и прогениторные клетки обонятельного эпителия могут дифференцироваться в любые другие клетки под действием зародышевых индукторов, и под действием факторов любой ткани, например, печени. Было показано, что «стволовые и прогениторные клетки обонятельного эпителия, равно как и стволовые клетки иного генеза, мультипотентны и способны дифференцироваться в нейрональные и глиальные фенотипы in vitro, в процессе регенерации обонятельного эпителия (ОЭ) и при транплантации. Таким образом, стволовые клетки ОЭ возможно будет в будущем использовать, как источник новых нейральных клеток для восстановления поврежденных нервных тканей и для заместительной терапии при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезни Паркинсона, Альцгеймера, Гетингтона и др. Причем из обонятельной области их намного проще получить, чем из пула нейральных стволовых клеток в желудочках мозга, даже не повреждая при этом обонятельную функцию пациента (взять ~10 кв. мм эпителия). (3)

Обновление нейронов обонятельных луковиц. Ростральный миграционный путь

Джефри Альтман впервые привел доказательства нейрогенеза в постнатальном мозге у крыс (7, 8, 9).

Оказалось, что в субвентрикулярной зоне (SVZ) латеральных желудочков мозга у взрослых крыс имеются пролиферирующие клетки, формирующие популяцию нейробластов. Через сорок лет после этого открытия было показано, что в мозге происходит постоянное обновление интернейронов обонятельной луковицы за счет деления стволовых клеток субвентрикулярной зоны желудочков мозга. Ван Прааг впервые обнаружил, что эти нейробласты мигрируют по т.н. ростральному миграционному пути в обонятельную луковицу и дифференцируются во вставочные нейроны (рис. 3).

Рис. 3. Ростральный миграционный путь (van Praag et al., Nature, 2002).

Другая зона нейрогенеза была обнаружена в гиппокампе. Считается, что обновление нервных клеток в гиппокампе во взрослом состоянии связано с процессами памяти и обучения. Нейральные клетки-предшественники образуются в субгранулярной зоне зубчатой извилины (SGZ) и затем мигрируют и дифференцируются в нейроны и глию гранулярного слоя. Появление иммуногистохимических методов, позволяющих метить пролиферирующие клетки с помощью бромдезоксиуридина (BrdU) и идентифицировать разные типы и стадии дифференцировки нейронов и глии, подтвердило, что процессы возобновления нейронов и глии в этих областях дифференцированного мозга характерны для всех млекопитающих, включая приматов и человека.

Для выявления и описания клеток, обеспечивающих нейрогенез, были проведены многочисленные исследования нейрогенных зон в нативном мозге и в культуре ткани. Особенно важные данные были получены культивированием клеток, взятых из различных областей зрелого мозга. Сначала их высаживали в среду без сыворотки, но с добавленными в среду факторами роста - EGF и FGF2. В этом случае клетки образовывали флотирующие агрегаты шарообразной формы, которые были названы нейросферами. Их можно длительно содержать в среде, механически или ферментативно диссоциировать и вновь высаживать в культуру - таким образом, будет наращиваться их количество. В условиях без факторов роста - но с добавлением сыворотки, нейросферы оседают на дно, клетки мигрируют на субстрат и дифференцируются во все типы нейральных клеток: нейроны, астроциты и олигодендроциты. Предположили, что нейросферы являются клонами, которые формируются из клеток, подобных стволовым, - способных к самовоспроизведению и мультипотентной дифференцировке. Рядом экспериментов было доказано, что индивидуальные клетки образуют нейросферы и обладают мультипотентностью - дифференцируются в нейроны и глию.

Также клетки сохраняли высокую пролиферативную активность и способность к мультипотентной дифференцировке в течение 10 пассажей. При этом их количество увеличивалось примерно в 10 млн. раз, что доказывало присутствие в популяции клеток со стволовыми свойствами. Позже и нейрогенных областей мозга грызунов, приматов и человека были получены клетки, способные в суспензионных культурах к самоподдержанию и генерации трех основных типов клеток ЦНС (3).

Еще одна сложность исследования и нахождения стволовых нейральных клеток - это то, что для них до сих пор не найдены универсальные маркеры - ни морфологические, ни молекулярно-биологические. Поэтому используют и маркеры, специфичные для нервной ткани в целом, и для стволовых клеток других тканей (стратегия позитивной и негативной селекции по ряду маркеров).

Во взрослом мозге СК располагаются в нишах, которые представляют собой сложно организованный ансамбль разных типов клеток. В SVZ в состав ниши входит весь пул производных СК: собственно астроцитоподобные СК (type B), их прогениторы (transit amplifying cells - type C) и нейробласты (type A), а также другие глиальные клетки, клетки эпендимы и кровеносных капилляров и сосудов. Эти клетки и внеклеточный матрикс вместе формируют специфическое микроокружение, в котором сохраняются и поддерживаются астроцитоподобные клетки со стволовыми функциями.

Важную роль в межклеточных взаимодействиях могут играть астроцитарные клетки. Их отростки контактируют со всеми типами клеток и базальной мембраной капилляров, поэтому они могут быть сенсорами и регуляторами в нишах СК. Кроме того, астроциты сами секретируют ряд факторов, воздействующих на нейрогенез. Также регуляторную роль выполняют клетки микроглии (инструктивная функция в нише СК).

Число СК в мозге невелико - около одного процента, и они редко делятся; но вот порождаемая ими популяция так называемых транзиторных клеток (transit amplifying cells) активно пролиферирует. Клеточный цикл СК длится несколько суток, а у транзиторных клеток - приблизительно 12 часов. Образованные прогениторные клетки мигрируют по ростральному миграционному тракту, который выстлан специальными астроцитами в обонятельную луковицу. Роль астроцитов в этом процессе и клеточные механизмы, обеспечивающие миграцию, пока остаются неизвестными. Астроциты не оказывают влияния на организацию мигрирующих нейробластов, но секретируемые ими факторы регулируют скорость миграции. Помимо астроцитов, в качестве субстрата для миграции нейробластов могут служить и кровеносные сосуды, по крайней мере, на территории самой обонятельной луковицы.

В гиппокампе образование новых нейронов происходит в субгранулярной зоне зубчатой фасции SGZ. Не до конца понятно, какие клетки обеспечивают нейрогенез в гиппокампе - СК или их прогениторные клетки. Область генерации новых нейронов представлена локальными клеточными нишами, которые содержат клетки астроглии и радиальной глии, клетки-предшественники, малодифференцированные нейробласты. Важной особенностью этих ниш, является то, что пролиферирующие астроциты (СК или их прогениторы) контактируют с капиллярами. Астроциты при делении дают начало клеткам-предшественникам, которые дифференцируются в гранулярные нейроны зубчатой извилины (2).

. Механизм работы обонятельных рецепторов

Рецепторы обонятельного эпителия относятся к большому семейству рецепторов, сопряженных с G-белками (аббр.GPCR - G protein-coupled receptors). Другое их название - это семиспиральные рецепторы, или серпентины; они составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных. Лиганды, которые связываются и активируют эти рецепторы, включают гормоны, нейромедиаторы, светочувствительные вещества, пахучие вещества, феромоны и варьируют в своих размерах от небольших молекул и пептидов до белков. Нарушение работы GPCR приводит к возникновению множества различных заболеваний, а сами рецепторы являются мишенью до 40% выпускаемых лекарств (13).

Как же работают обонятельные рецепторы?

В результате связывания со своим лигандом - пахучим веществом, или одорантом, - рецептор обонятельного эпителия (класса OR или TAAR) активируется и активирует связанную с ним субъединицу G-белка (G-?-olf.). Субъединица G-?-olf. Отсоединяется от рецептора и активирует AC3 - аденилатциклазу третьего типа, которая катализирует производство цАМФ из АТФ. Повышающаяся внутриклеточная концентрация цАМФ вызывает открытие цАМФ-зависимых каналов, что способствует притоку ионов натрия и калия в клетку, что приводит к деполяризации нейрона. В итоге эта локальная деполяризация многократно усиливается последующей активацией кальций-зависимых хлорных каналов. Благодаря низкой концентрации хлора в омывающей реснички слизи- ионы хлора устремляются из клетки наружу. Вызванная пахучим веществом, деполяризация в обонятельной ресничке распространяется по всему нейрону, что в итоге приводит к открытию потенциал-чувствительных ионных каналов в районе аксонального бугорка чувствительного нейрона, вызывая потенциал действия и выход нейромедиаторов в синаптическую щель в обонятельной луковице (рис. 5).

Для того, чтобы человек уловил какой бы то ни было запах, до центральной нервной системы должен дойти сигнал как минимум от 1000 активированных обонятельных рецепторов.

В основе кодирования информации о запахах лежат 2 организационных принципа периферической обонятельной системы. Во-первых, каждый обонятельный чувствительный нейрон, лежащий в обонятельном эпителии, экспрессирует только одну аллель гена, кодирующего один обонятельный рецептор. Это явление получило название «один рецептор, один нейрон». Получается, что спектр пахучих веществ (одорантов), которые может распознать один данный чувствительный нейрон (его «рецептивное поле») - напрямую зависит от лиганд-связывающих свойств одиночного рецептора, экспрессируемого на данном нейроне. Во-вторых, один рецептор активируется несколькими лигандами - с разной интенсивностью, какие-то вещества сильнее активируют данный рецептор, какие-то слабее. (11)

Рис. 5. Механизм работы обонятельного рецептора (см. текст). (23)

Можно сделать вывод, что на один запах (допустим, простого состава - молекулы одного строения), реагируют несколько типов рецепторов; на сложную смесь веществ - которой обычно и являются запахи - реагирует множество различных рецепторов и с разной силой - и каждый раз получается уникальный набор, «код» активированных рецепторов, и специфический комбинаторный код доходит до центральных структур обонятельной системы - коры больших полушарий (гиппокампа). И уже там окончательно анализируется. Причем лимбическая система «запрашивает», достает память о данном запахе из коры, и формирует эмоциональные реакции организма (точнее соединяет эмоции организма, вызванные запахом, и память о нем, и ассоциативные ядра).

8. Возрастные изменения и патологии обонятельной системы

У человека в пожилом возрасте обонятельная чувствительность снижается. Во время беременности обоняние может обостриться и стать извращённым. Обоняние ухудшается либо исчезает при набухании и атрофических изменениях слизистой оболочки носа, особенно при озене, опухолях или травмах некоторых отделов мозга. Нарушения обоняния могут проявляться признаками раздражения (гиперосмия - повышенная чувствительность к запахам, обонятельные галлюцинации при некоторых психических заболеваниях - психозах, истериях, шизофрении - ощущение несуществующих, чаще неприятных запахов) и выпадения (снижение обоняния - гипосмия, утрата - аносмия, нарушение узнавания запахов). Лечение: устранение основной причины, вызвавшей расстройство обоняния. (14)

В книге известного невролога Оливера Сакса рассказан интересный случай изменения обонятельной функции - однажды ночью, Стивен Д., 22-летний студент-медик, приняв смесь изменяющих сознание препаратов (кокаин, PCP, амфетамины), грезил, что он превратился в собаку и был окружен необычно богатыми, полными смысла запахами. Мечта, казалось, продолжалась и после того, как он проснулся - его мир остался заполненным пронзительными ароматами. По пути в клинику тем утром, "Я принюхивался как собака. По запаху я узнал, до того как их увидел, двадцать пациентов, которые там были", сказал он позже невропатологу Оливеру Саксу. "Каждый имел свой собственный обонятельный образ", говорил он, "намного более яркий и запоминающийся, чем любое лицо". Он узнавал улицы и магазины по их запахам. Причем, некоторые запахи вызывали у него удовольствие, а некоторые отвращение, но все же это было настолько захватывающе, что он мог едва думать о чем-нибудь еще. Через три недели все внезапно прошло. Ушли запахи, все чувства вернулись к норме. Со смесью облегчения и горечи Стивен возвратился в старый невзрачный мир выцветших переживаний, умозрений, абстракций. "также и огромную потерю". Годы спустя, став успешным врачом, Стивен Д. все еще помнил "что" мир запахов настолько яркий, настолько реальный! «Это походило на посещение другого мира, мира чистого восприятия, богатого, живого, самодостаточного, и полного... Я опять такой, как раньше. Это хорошо, конечно, но есть ощущение огромной утраты». Стивен Д. переживал, что не может время от времени, хотя бы иногда, становится собакой, и снова чувствовать этот насыщенный мир запахов («Это был мир бесконечной конкретности, мир непосредственно данного… Я с головой погружался в океан реальности»). «Фрейд неоднократно подчеркивал, что слабое обоняние человека является результатом роста и воспитания: когда человек начинает ходить и минует примитивный этап прегенитального сексуального развития, чутье подавляется». То есть получается, что люди могли бы чувствовать запахи сильнее, если бы не культура, и воспитание, и эволюция, которые вытесняют обоняние человека на «периферию» чувств. Можно предположить, что заложенные возможности обоняния у нас больше, чем мы в итоге наблюдаем во взрослом состоянии, из-за этого «эволюционно-приспособительного» подавления обонятельной функции. «Скорее всего, нам нужно обуздать обоняние, просто чтобы быть людьми, а не собаками». Но все же и это подавленное «ради человечности» чувство бесконечно важно для внутренней инстинктивной сущности человека. Замечено, что утрата обоняния сильно меняет человека - он становится более безразличным к происходящему кругом, теряет вкус к жизни. Помимо этого, утратив обоняние легче отравиться - не почувствовать измененный запах еды, или запах гари при пожаре, например. То есть, как и при любой потере, человек становится более уязвимым. Обычно этот фоновый обонятельный мир почти не осознается, но он, тем не менее, очень важен. Еще один случай, описанный у О.Сакса, рассказывает про случай полной потере обоняния и возникновении компенсаторных обонятельных галлюцинаций: «у глубокого, одаренного человека после травмы головы оказался серьезно поврежден обонятельный тракт (обе его части пролегают в передних черепных ямках и в силу своей длины крайне уязвимы). В результате пациент полностью лишился способности воспринимать запахи. Последствия этой потери оказались для него настоящим бедствием». Он действительно очень переживал, говорил, что раньше не осознавал, какое значение запахи вносили в его жизнь: «Обоняние? Да я никогда не думал о нем. Никто ведь не думает. Но стоит его потерять - и будто слепнешь. Вкус жизни уходит. Мы редко задумываемся, как много во «вкусе» запаха. Человек чует других людей, чует книги, город, весну.…Весь мой мир внезапно оскудел». И вот через несколько месяцев этот пациент вдруг начал ощущать запах кофе и табака.

После тщательных, «дважды слепых» испытаний доктор с сожалением сообщил ему, что никаких следов восстановления нет (полная аносмия). «Тут важно отметить, что у пациента был поврежден только обонятельный тракт, а кора головного мозга не пострадала. Судя по всему, у него исключительно сильно развилась обонятельная образность, и в результате возникло нечто вроде контролируемого галлюциноза. Далее эта способность «вспоминать» запахи распространилась и на другие ситуации, например, он стал улавливать запах весны - точнее, обонятельный образ весны у него настолько усилился, что он почти убедил себя (и полностью убедил окружающих), что действительно ощущает весенний запах». (5)

Заключение

Американскими учеными Бак и Акселем была выявлена группа генов обонятельных рецепторов, о которых никто до них не знал, и открыт механизм их работы. Это открытие имеет широкие перспективы в различных областях медицины (планируется создание искусственного органа обоняния); на пересечении биологии и нанотехнологий идут активные разработки биосенсора для распознавания различных веществ; в нейрологии надеются, методом воздействия различных одорантов на обонятельные рецепторы, больше понять о механизмах работы мозга.

Таким образом, обонятельная система является по многим параметрам уникальной. Во-первых, это единственная в организме зона, где нервная система контактирует непосредственно с окружающей средой (такого нет даже в сетчатке глаз). Во-вторых, в пределах обонятельной системы выявлены две зоны обновления нервных клеток, при том, что для нервной системы это редкое явление (сам обонятельный эпителий, и поток клеток из латеральных желудочков мозга по ростральному пути). Эти зоны обновления клеток могут иметь прикладное значение в трансплантологии. При нейродегенеративных болезнях это надежда на выздоровление. Тем более, что извлечение стволовых нервных клеток из обонятельного эпителия совсем не сложный и не опасный процесс.

Список литературы

1.Афанасьев Ю.И. и др., «Гистология, Цитология и Эмбриология», 2004, стр. 355-362.

.Александрова М.А., Подгорный О.В. Нейральные стволовые клетки. В кн.: «Биология стволовых клеток и клеточные технологии». Под ред. Пальцева М.А.. 2009, том 2, стр. 163 - 189.

.Викторов И.В., Савченко Е.А., Чехонин В.П. Глиальные и мультипотентные стволовые клетки обонятельной выстилки: перспективы их использования в нейротрансплантологии. В кн.: «Биология стволовых клеток и клеточные технологии». Под ред. Пальцева М.А.. 2009, том 2, стр.190 - 210.

.Савельев С.В., Негашева М.А., «Практикум по анатомии мозга человека», 2001, стр. 162-168.

.Сакс О., «Человек, который перепутал жену со шляпой и другие клинические истории» (The Man Who Mistook His Wife for a Hat and Other Clinical Tales), 2010, стр. 210-215.

.Улумбеков Э.Г., «Гистология, Эмбриология, Цитология», 2009, стр. 205-206.

.Altman J. Are new neurons formed in the brains of adult mammals?, Science, 1962.

.Altman J., Das G.D. Autoradiographic and histological evidence of postnatal hippocampal neurogenesis in rats, Journal of the Comparative Neurology, 1965.

.Altman J. Autoradiographic and histological studies of postnatal neurogenesis IV. Cell proliferation and migration in the anterior fore brain, with special reference to persisting neurogenesis in the olfactory bulb, Journal of the Comparative Neurology, 1969.

.Buck L. and Axel R. (1991) A novel multigene family may encode odorant receptors: A molecular basis for odor recognition. Cell 65, 175-187.

.DeMaria S. and Ngai J. (2010) The cell biology of smell. The Journal of Cell Biology 191, 443-452.