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Cenni di Anatomia, Fisiologia e
Connettività del Sistema
Olfattivo Umano
II.1 Introduzione
In un organismo la funzione dei sistemi sensoriali è quella di costituire l’interfaccia con l’ambiente in cui esso si trova e quindi di fornire le informazioni che consentano all’essere vivente di adattarsi alle mutevoli condizioni del mondo esterno.
Ciascuno di questi apparati è sensibile a stimoli di natura specifica, i quali sono prima “filtrati” da organi specializzati (padiglione auricolare, cavità nasale, complesso ottico etc.) che fungono da elemento di separazione fra sistema nervoso e stimolo, poi convertiti in opportuni segnali elettrici dai recettori, infine inviati mediante collegamenti sinaptici al sistema nervoso e proiettati sui neuroni della corteccia cerebrale. Qui i segnali si trasformano in sensazioni e percezioni, risultanti anche dalla fusione di informazioni provenienti dagli altri sensi. E’ quindi al livello della corteccia che si hanno quei potenziali la cui somma in una certa zona, legata ad
una determinata funzione sensoriale, ha come conseguenza la variazione emodinamica che può essere rilevata col neuroimaging fMRI.
Qui l’interesse si concentra su uno dei sistemi sensoriali che produce sensazioni esterocettive, cioè concernenti l’ambiente esterno: l’apparato olfattivo. Esso è un cosiddetto senso chimico (insieme al gusto) perché gli stimoli che capta dall’ambiente esterno sono di natura chimica ed è anche il sistema sensoriale evoluzionisticamente più antico. Tuttavia gli studi che lo riguardano sono difficili da realizzare a causa della sede anatomica delle vie olfattive e delle dimensioni ridotte nell’uomo delle rispettive aree recettive e corticali. Nell’ambito del MRI inoltre le difficoltà si moltiplicano perché le regioni funzionalmente attivate dagli stimoli odorosi si trovano in prossimità di altre strutture di consistenza diversa (aria, liquor e osso) e ci sono numerose interfacce aria-osso ed osso-tessuto cerebrale che rendono forte la suscettività magnetica.
La stimolazione del sistema olfattivo viene realizzata mediante molecole odoranti, generalmente volatili, che si legano ai recettori presenti nella mucosa nasale. Vi sono però problemi seri nella determinazione di quante molecole si siano effettivamente legate ai recettori e di quanto persista questo legame; ci sono forti soggettività nella percezione di un odore particolare e nella soglia a partire dalla quale questo è percepito: sono anzi abbastanza comuni le cosiddette anosmie specifiche, ovvero l’insensibilità completa (o sanabile soltanto per livelli di concentrazione superiori a soglie molto alte) di un individuo per un ben determinato odore. Infine vi sono fenomeni di adattamento, per i quali uno stimolo prolungato con lo stesso odorante causa la soppressione della percezione di quella sostanza, adattando di fatto a quella situazione ambientale l’organismo che vi si trova a contatto.
Tutti questi aspetti devono essere considerati a fondo in uno studio del sistema olfattivo e possono essere determinanti per una sua significativa riuscita.
II.2 Il sistema olfattivo nell’uomo
Esso è composto da tre parti: il sistema olfattivo periferico, il bulbo olfattivo ed il sistema
olfattivo centrale. Il periferico è rappresentato dal naso, il bulbo è all’interno della
scatola cranica vicino alla base, mentre il sistema centrale è dato da parte del sistema limbico (che suscita la nostra emotività) e dalla corteccia olfattiva.
II.2.1 Il sistema olfattivo periferico
Ha sede nel naso, l’organo dell’olfatto, che nei diversi animali ha forme differenti ma è accomunato dalla presenza di cavità aeree a cui le sostanze odoranti possono accedere e nelle quali possono rimanere per un tempo sufficiente e venire in contatto con i recettori, provocando così uno stimolo olfattivo adatto a scatenare, a livello corticale, la sensazione corrispondente.
Nell’uomo il naso è suddiviso in due cavità, le fosse nasali, separate da un setto e delimitate da una volta ossea (l’osso etmoide). Sulla parete laterale di ogni fossa è presente (peraltro in tutti i mammiferi) una struttura complessa, costituita da una serie di lamine ossee sporgenti (tre nell’uomo) dette turbinati. Questi sono rivestiti da un epitelio composto da mucosa respiratoria e da mucosa olfattiva; mentre la prima è ricca di vasi e quindi di colore rosso, la seconda è più spessa e pigmentata ed è formata da cellule recettrici, di sostegno e basali. Queste ultime danno luogo ad uno strato sopra il quale ha sede una architettura a mosaico, nella quale i recettori olfattivi (chiamati cellule di Schultz) sono incastonati fra le cellule di sostegno (figura 2.1).
L’epitelio è ricoperto da una secrezione mucosa, di spessore non uniforme, che scioglie in soluzione molecole idrofiliche e consente agli odoranti di raggiungere le ciglia dei recettori olfattivi in esso immerse. Questo muco è prodotto dalle
ghiandole di Bowman ed influenza la sensazione olfattoria determinando il tempo impiegato dall’odorante per attraversarlo.
I recettori olfattivi sono neuroni bipolari: dal polo superiore si diparte una struttura detta bastoncello olfattivo la cui parte terminale dà origine alle ciglia olfattive; esse sono vere e proprie estensioni della cellula recettrice, che ne aumentano l’area sensibile e catturano, attraverso siti proteici olfattivi che si trovano sulla loro sommità, le molecole odoranti che vi si possono legare. Dal polo superiore trae origine un assone non mielinato che costituisce la vera e propria parte nervosa del recettore (diversa rispetto alle altre formazioni periferiche in quanto originata dall’ectoderma, la stessa materia da cui si generano le strutture del SNC) e, passando per forellini
F Fiigguurraa22..11SSeezziioonneesscchheemmaattiiccaa d deellllaa oorrggaanniizzzzaazziioonnee cceelllluullaarree d deellll’’eeppiitteelliioooollffaattttiivvoo
presenti nella lamina cribrosa dell’etmoide, conduce impulsi elettrici fino alla sinapsi del bulbo olfattivo, andando a far parte del nervo olfattivo destro o sinistro (figura 2.2 (a) e (b)). F Fiigguurraa22..22((bb))::SSeezziioonneessaaggiittttaallee d deellssiisstteemmaaoollffaattttiivvooppeerriiffeerriiccooee b buullbboo F Fiigguurraa 22..22 ((aa)) :: SSiinnggoolloo r reecceettttoorreeeessuuaaccoollllooccaazziioonnee
Vi sono evidenze circa la non specificità dei recettori olfattivi per un singolo odorante e a proposito del fatto che la sensazione olfattiva nasca proprio nel recettore olfattivo, a seguito della stimolazione indotta dalla interazione con un sito proteico di una molecola odorante.
I recettori olfattivi sono chemocettori e costituiscono quindi l’area sensibile agli stimoli odorosi, la cui estensione differisce molto tra mammiferi e non, e tra essere umano e animale: si va dai 2-4 cm2 nell’uomo ai 21-25 cm2, ad esempio, del gatto.
II.2.2 Bulbo olfattivo e Sistema olfattivo centrale
Il bulbo olfattivo è una delle parti più evoluzionisticamente primitive del cervello e, rispetto ai mammiferi inferiori la cui scatola cranica è per buona parte da esso occupata, nell’uomo costituisce solo una piccola porzione del volume cerebrale. Esso è considerato una prima stazione di elaborazione ad alto livello delle informazioni olfattive provenienti dai recettori, svolgendo una funzione di amplificazione dei segnali dell’olfatto provenienti dagli assoni delle cellule di Schultz, i quali terminano nei glomeruli, regioni sferiche rugose a livello delle quali avviene la prima sinapsi dei nervi olfattivi con le cellule mitrali, i cui assoni (in uscita) convergono a formare il tratto olfattorio laterale che si porta poi alla corteccia
olfattiva (figura 2.3). A livello del bulbo vi sono poi i poliglomeruli ed altri tipi di
cellule che formano interconnessioni complesse fra i glomeruli e fra le cellule mitrali.
Gli esperimenti condotti finora sembrerebbero attestare che il numero di recettori coinvolti in una stimolazione olfattoria ne indichino l’intensità, mentre la loro localizzazione spaziale fornirebbe informazioni sulla tipologia di odore. Il bulbo allora acquisisce ed analizza queste informazioni, sintetizzando un messaggio che viene inviato al sistema centrale, il quale lo interpreta. Alla elaborazione di detto messaggio prendono parte tutti i neuroni del bulbo e non solo dei piccoli sottoinsiemi dell’intera popolazione.
Il sistema olfattivo centrale è composto dalla corteccia olfattiva e dal sistema limbico; le aree cerebrali principalmente coinvolte in questo sistema sono riportate nella figura 2.4 [7].
E’ da sottolineare come le regioni interagiscano fra di loro formando circuiti di connettività effettiva la cui valutazione è l’obiettivo finale di questo lavoro. La stimolazione olfattiva, proprio anche in ragione della proiezione a livello limbico, può influenzare il comportamento di un individuo ed è in grado di scatenare
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immediatamente emozioni ed associare ricordi, assumendo quindi una connotazione nettamente soggettiva.
F Fiigguurraa 22..44 LLooccaalliizzzzaazziioonnee,, ssuu sseezziioonnii ccoorroonnaallii ddii i immmmaaggiinnii ddii RRMM aadd aallttaa rriissoolluuzziioonnee ssppaazziiaallee,, ddeellllee p prriinncciippaallii zzoonnee ddeell ssiisstteemmaa oollffaattttiivvoo cceennttrraallee.. ((aa)) C Coorrtteecccciiaappiirriiffoorrmmee;;((bb))AAmmiiggddaallaa;;((cc))CCoorrtteecccciiaaoorrbbiittoo- -f frroonnttaallee;;((dd))IInnssuullaa;;((ee))IIppppooccaammppoo.. a a)) e e)) b b)) d d)) c c))
II.2.3 Connetività delle stazioni olfattive
Come già sottolineato la visualizzazione delle aree olfattive è particolarmente difficoltosa a causa della esiguità della loro estensione nell’uomo e della inaccessibilità e criticità magnetica che le caratterizza (nel caso di fMRI). Negli studi di connettività a tali aspetti problematici si affiancano quelli legati alla povertà di tecniche per indagini in vivo nell’essere umano e alla necessità di ricorrere a studi comparativi con gli animali, in special modo i primati e altri mammiferi superiori. Ebbene i risultati ottenuti cercando di individuare i circuiti olfattivi principali e la più recente diffusione del DTI, applicabile anche sull’uomo in modo non invasivo, hanno permesso di proporre una serie di modelli di organizzazione funzionale, e dunque di connettività effettiva, anche per l’apparato olfattorio umano [6].
Tutti questi modelli concludono che anche il sistema olfattivo, come gli altri sistemi sensoriali (visivo e somatosensoriale), elabora gli stimoli sia gerarchicamente che parallelamente, ma differisce decisamente dagli altri a causa del coinvolgimento del sistema limbico, che interviene fin dal più elementare livello della percezione dello stimolo odoroso e causa l’evocazione di emozioni e l’associazione di ricordi.
I risultati degli studi di specializzazione ed integrazione funzionale hanno evidenziato differenze nelle zone e nei circuiti attivatisi a seconda del tipo di odorante e del tipo di task (cioè l’insieme dei segnali usati come stimolo e del tipo di richieste fatte al soggetto che li riceve).
Gli odoranti infatti possono essere puri, cioè costituiti da una singola specie molecolare, misti, ovvero dati dalla combinazione di una miscela di odoranti puri, oppure appartenenti alla classe dei feromoni, messaggeri chimici immessi nell’aria dagli individui di una stessa specie, che causano reazioni comportamentali ma anche fisiologiche negli appartenenti alla medesima.
Una ulteriore classificazione, risultata decisiva nella localizzazione delle risposte funzionali olfattive, può essere operata tra odoranti che stimolano le terminazioni libere del nervo trigemino (che sono una maggioranza) e odoranti che non lo fanno, generando stimoli elaborati solo dal nervo olfattorio: i primi sono detti odoranti
bimodali, i secondi unimodali. Il trigemino presiede alle sensazioni di irritazione,
bruciore, freschezza e, nel naso, a quelle tattili di temperatura, pressione e flusso d’aria quando respiriamo.
In particolare per gli odoranti bimodali ci possono essere quindi attivazioni di circuiti spuri e, comunque, vi sono ipotesi fondate circa l’interazione di segnali trigeminali e olfattivi al livello del talamo.
Nonostante tutti questi aspetti da tenere in conto, le conclusioni degli studi con PET ed fMRI hanno individuato un insieme di regioni che sembrerebbero attivarsi sempre, per ogni tipo di odorante e di task (odorazione passiva, riconoscimento della qualità o intensità di un odore etc.) ed è a questa classe di risultati che faremo riferimento per discutere i nostri.
Un diagramma sintetico, riassuntivo delle aree attivate e della loro connettività (parallela o gerarchica) è quello riportato in figura 2.5 [4,5].
F Fiigguurraa 22..55:: ddiiaaggrraammmmaa cchhee r riippoorrttaa ppeerr ttaasskk ddiiffffeerreennttii ( (ooggnniippiirraammiiddeeuunnttaasskk::OOMM== r riiccoonnoosscciimmeennttoo ddii uunn ooddoorree i innbbaasseeaallllaammeemmoorriiaa;; OODD--qq== q quuaalliittàà ddeellll’’ooddoorree;; OODD--ii== i inntteennssiittàà ddeellll’’ooddoorree;; RR== d deessttrraa;;LL==ssiinniissttrraa))lleerreeggiioonnii v viiaa vviiaa aattttiivvaattee ee ssee llee lloorroo r reellaazziioonnii ssoonnoo ppaarraalllleellee ( (sstteessssoo ppiiaannoo)) oo g geerraarrcchhiiccaammeennttee o orrggaanniizzzzaattee ((ppiiaannii ddiivveerrssii)).. L L’’aalltteezzzzaa ddeellllaa ppiirraammiiddee èè p prrooppoorrzziioonnaallee aallllaa c coommpplleessssiittàà ddeell ttaasskk eedd iinn g grriiggiioo ssoonnoo eevviiddeennzziiaattee llee z zoonnee sseemmpprree ttrroovvaattee aattttiivvee i inn ttaasskk cchhee pprreevveeddoonnoo l l’’ooddoorraazziioonnee ppaassssiivvaa ddoo o oddoorraannttiibbiimmooddaallii..
Dal bulbo olfattivo il segnale è inviato, attraverso il tratto olfattorio, a corteccia piriforme ed amigdala, le quali costituiscono la corteccia olfattiva primaria, definita come quella che riceve direttamente dal bulbo olfattivo gli stimoli nervosi [6]. Non è ancora ben chiarito tuttavia se il segnale, dal bulbo olfattivo, arrivi contemporaneamente sia alla corteccia piriforme che all’amigdala o se quest’ultima è dipendente dalla prima e non direttamente connessa al bulbo. Le altre regioni sempre trovate attive sono la corteccia orbitofrontale e l’insula; per quanto concerne il talamo, in esso sono state rinvenute attivazioni in caso di stimoli con sostanze bimodali.
Le ulteriori zone riportate in figura 2.5 sono coinvolte solo in certe tipologie di task e si può arguire che più questo è complesso, più remoti sono i circuiti neurali coinvolti.
Da un punto di vista prettamente circuitistico il bulbo olfattivo costituisce la sorgente del segnale; da qui lo stimolo, secondo l’ipotesi di connessione più accreditata, si diparte in modo unidirezionale verso la corteccia piriforme. Dalla corteccia piriforme il segnale è inviato all’amigdala e alla corteccia orbitofrontale. Tra queste due zone ci sono ulteriori palleggiamenti del segnale di cui sono incogniti i versi di propagazione. Anche l’insula entra in gioco interagendo con amigdala e corteccia orbito frontale, tuttavia non sono note le connessioni e le direzioni di propagazione del segnale.Nello schema non abbiamo indicato il talamo per potervi includere anche stimolazioni di tipo unimodale.
In conclusione, in base ai risultati appena presentati, è possibile costruire graficamente un modello di connettività effettiva che rappresenta una struttura, molto verosimile, delle varie connessioni anatomiche tra le regioni; ad esso faremo riferimento nell’affrontare lo studio di connettività effettiva che svilupperemo nel corso di questo lavoro (figura 2.6).
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