Olfactie I. II. III. IV. V. 11/6/2008
inleiding: bijzonderheden perceptie functionele anatomie fysiologie: 1ste orde olfactieve receptor neuronen (ORNs) fysiologie: 2de orde bulbus olfactorius (B.O.) 1
I. inleiding: bijzonderheden • detectie van chemische stoffen in omgevingen: zeer algemeen en wijdverspreid in dierenrijk en lichaam herkenning familiegenoten, reproductieve partners, voeding, gevaar
• odoranten voor mens: vluchtig + klein + hydrofoob doch sommige van dergelijke moleculen zijn geurloos (bv. methaan, koolstofmonoxide)
• anatomie: – – – –
corticaal systeem vanaf 1ste synaps projecties vnl. ipsilateraal corticale projecties niet ndz. via thalamus oud type cortex
• 1ste orde neuronen: mature neuronen worden voortdurend vervangen
2
II. perceptie • olfactie levensnoodzakelijk bij lagere mammalia (o.a. rodentia) • afgezwakt bij mens (vergelijkende anatomie) • discriminatie van 10.000100.000 odoranten, soms met zeer hoge sensitiviteit (1 deel per 1012) vb.: mercaptanen • draagt bij tot ruimere ‘smaak’perceptie (“flavor”) (Haberly, 1990)
3
III. functionele anatomie • neus ≠ reuk: bevochtiging, filtering, verwarming van lucht • neuroepitheel → fila olfactoria/lamina cribrosa → B.O. • olfactieve receptorneuronen (ORNs): ~ 20 x 106 (hond: > 200 x 106)
4
1aire olfactieve ctx: rechtstreekse projecties uit B.O. • • •
(pre)piriforme cortex + tuberculum olfactorium: bewuste perceptie orbitofrontale cortex: hedonische eigenschappen (hoe aangenaam, vertrouwd, intens een geur is) nc. olfactorius anterior: binasale vergelijking
5
1aire olfactieve ctx: rechtstreekse projecties uit B.O. • entorhinale cortex → hippocampus: geheugen • amygdala → hypothalamus: emotie/motivatie (neuraal systeem voor emoties als abstracte, cognitieve bovenbouw, geëvolueerd uit het olfactieve systeem? Binair) • geheugen voor olfactieve stimuli niet accurater, maar sterkere associatie met emoties
6
anosmie: • •
na infecties bovenste luchtwegen (sinusitis) na trauma
7
mond- en neusholte: ook chemoreceptie via trigeminale innervatie! (tast-, pijn-, en thermoreceptoren) (n. V: somatosensorisch systeem) bv. irritatie ammoniak, ajuinen, peper, chili pepers bv. koelte menthol
8
IV. fysiologie: ORNs • transductie: 2de boodschapper systeem
9
NEURON: omzetting van langzaam potentiaal (~amplitude-modulatie, AM) naar alles-of-niets actiepotenitalen (~ frequentie-modulatie, FM) ⇒ snelle voortgeleiding naar CZS.
RECEPTOR: omzetting van stimulus energie naar electrische energie = transductie. output = receptor (generator) potentiaal voordelen: amplitude ~ stimulus intensiteit (AM) geen drempel, geen refractaire periode nadeel: locaal
10
• cascade, dunne axonen: traag sensoriëel systeem! • adaptatie (≠ habituatie): door recyclering receptor (~ Gproteïne-gekoppelde receptoren) • reuze genfamilie ° ° ° °
~ 1000 genen, ~ 1% van genoom 1 ORN - 1 gen - 1 receptoreiwit 4 subfamilies topografische organisatie in neuroepitheel: 4 stroken 1 subfamilie/strook, willekeurige spreiding binnen 1 strook ° mens: tot 60-70% pseudogenen 11
• codering: wat is de neurale code om verschillende stimuli (hier: odoranten) te detecteren en te onderscheiden? Algemeen er zijn twee (extreme) schema’s voor codering van stimulusparameters: grootmoeder cellen (“feature detectors”, “labeled lines”): aanwezigheid van een bepaalde stimulus (bv. grootmoeder) wordt gedragen door activiteit van 1 cel versus populatie- of gedistribueerde codering: aanwezigheid van een bepaalde stimulus wordt gedragen door activiteit van vele cellen met verschillende selectiviteit. 12 Alle cellen dragen bij tot codering van alle stimuli.
° geen absolute specificiteit binnen 1 cel, doch wel gedeeltelijke selectiviteit ° iedere cel heeft optimum stimulus of stimuluswaarde, waarvoor aantal actiepotentialen (#APs, spikes) maximaal is ° cellen verschillen in hun optimum ° odoranten stimuleren meerdere ORNs 13
Een batterij van odoranten (afkortingen boven abscissa) getest op een populatie van cellen (nummers naast ordinaat). De grootte van het symbool duidt de grootte van de response (#AP) aan. - horizontaal: iedere cel wordt geactiveerd door een verschillend patroon van odoranten - verticaal: ieder odorant activeert een groot aantal cellen.
(Sicard en Holley, 1984)
14
• Hoe komt de selectiviteit tot stand? – ieder odorant bevat een aantal epitopen: “odotopen” – odoranten binden met receptoreiwitten via odotopen – 1 odotoop kan binden met verschillende receptoreiwitten, en binding leidt tot depolarisatie, doch affiniteit van deze binding varieert – 1 odorant zal dus via zijn odotopen verschillende ORNs activeren – het patroon van geactiveerde ORNs is uniek voor ieder odorant
15
V. fysiologie: Bulbus Olfactorius • glomeruli: kluwens axonen - dendrieten
16
• topografisch verband neuroepitheel - bulbus olfactorius
alle ORNs die zelfde gen tot expressie brengen projecteren naar dezelfde glomerulus 17
(Axel, 1995)
18
• mijter & pluimcellen (mitral/tufted cells, M/T): - projectiecellen - 1aire (apicale) & 2aire (basale of laterale) dendrieten - apicale dendrieten maken contact met slechts 1 glomerulus ⇒ selectiviteit van M/T cel in eerste benadering te vergelijken met die van ORNs 1 gen ↓ 1 receptoreiwit ↓ 1 populatie ORNs ↓ 1 glomerulus ↓ 1 populatie M/T cellen 19
Huidige werkhypothese: • ieder odorant bevat een aantal epitopen (odotopen) • ieder epitoop activeert 1 of meerdere receptoreiwitten (en dus ook 1 of meerdere glomeruli en M/T cellen) • het patroon van activatie is uniek voor ieder odorant
20 (Sullivan en Dryer, 1996)
• “moleculair receptief veld”: response van M/T cellen nagaan op batterij van odoranten batterij: niet willekeurig maar met systematische structuurvariaties
21 (Mori en Yoshihara, 1995)
• laterale inhibitie: korrelcellen (granule cells): - interneuronen - gabaerg, amacrien M/T cellen ondervinden inhibitorische invloed van naburige glomeruli via korrelcellen/2aire dendrieten deze laterale inhibitie geeft o.a. een opscherping van de selectiviteit
(Sullivan en Dryer, 1996)
22
Olfactie
• andere vormen van codering: – topografie (kaart): vereenvoudigde “uitlezing” door hogere systemen, neurale verwerking – tijdscodering • vomeronasaal orgaan – parallel system – sexuele functie 23 – functie bij mens? onzeker
24
(Liman en Corey, 1996)
25
