Обонятельная система , или чувство обоняния , — это сенсорная система , используемая для обоняния (т. е. обоняния). Обоняние — одно из особых чувств , напрямую связанных с определенными органами. Большинство млекопитающих и рептилий имеют основную обонятельную систему и дополнительную обонятельную систему . Основная обонятельная система обнаруживает вещества, находящиеся в воздухе, в то время как дополнительная система ощущает стимулы в жидкой фазе.
Чувства обоняния и вкуса ( вкусовая система ) часто вместе называют хемосенсорной системой, поскольку они оба передают мозгу информацию о химическом составе объектов посредством процесса, называемого трансдукцией .
Периферическая обонятельная система состоит в основном из ноздрей , решетчатой кости , носовой полости и обонятельного эпителия (слои тонкой ткани, покрытые слизью , которые выстилают носовую полость). Основными компонентами слоев эпителиальной ткани являются слизистые оболочки , обонятельные железы , обонятельные нейроны и нервные волокна обонятельных нервов . [1]
Молекулы запаха могут проникать в периферический путь и достигать носовой полости либо через ноздри при вдыхании ( обоняние ), либо через горло, когда язык проталкивает воздух в заднюю часть носовой полости во время жевания или глотания (ретроназальное обоняние). [2] Внутри носовой полости слизь, выстилающая стенки полости, растворяет молекулы запаха. Слизь также покрывает обонятельный эпителий, который содержит слизистые оболочки, которые вырабатывают и хранят слизь, и обонятельные железы, которые секретируют метаболические ферменты, обнаруженные в слизи. [3]
Обонятельные сенсорные нейроны в эпителии обнаруживают молекулы запаха, растворенные в слизи, и передают информацию о запахе в мозг в процессе, называемом сенсорной трансдукцией . [4] [5] Обонятельные нейроны имеют реснички (крошечные волоски), содержащие обонятельные рецепторы , которые связываются с молекулами запаха, вызывая электрический ответ, который распространяется через сенсорный нейрон к обонятельным нервным волокнам в задней части носовой полости . [2]
Обонятельные нервы и волокна передают информацию о запахах из периферической обонятельной системы в центральную обонятельную систему мозга, которая отделена от эпителия решетчатой пластинкой решетчатой кости . Обонятельные нервные волокна, которые берут начало в эпителии, проходят через решетчатую пластинку, соединяя эпителий с лимбической системой мозга в обонятельных луковицах . [6]
Основная обонятельная луковица передает импульсы как митральным, так и пучковым клеткам, которые помогают определить концентрацию запаха на основе времени срабатывания определенных нейронных кластеров (называемого «временным кодом»). Эти клетки также отмечают различия между очень похожими запахами и используют эти данные для помощи в дальнейшем распознавании. Клетки различаются тем, что митральные имеют низкую частоту срабатывания и легко подавляются соседними клетками, в то время как пучковые имеют высокую частоту срабатывания и их сложнее подавить. [7] [8] [9] [10] То, как бульбарная нейронная цепь преобразует запаховые входы в луковицу в бульбарные ответы, которые отправляются в обонятельную кору, можно частично понять с помощью математической модели. [11]
В крючке располагается обонятельная кора , которая включает грушевидную кору (заднюю орбитофронтальную кору ), миндалевидное тело , обонятельный бугорок и парагиппокампальную извилину .
Обонятельный бугорок соединяется с многочисленными областями миндалевидного тела, таламуса , гипоталамуса , гиппокампа , ствола мозга , сетчатки , слуховой коры и обонятельной системы. Всего у него 27 входов и 20 выходов. Чрезмерное упрощение его роли заключается в том, что он: [12] [13] [14]
Миндалевидное тело (при обонянии) обрабатывает сигналы феромона , алломона и кайромона (одного вида, межвидового и межвидового, где излучатель получает вред, а сенсор получает пользу соответственно). Из-за эволюции головного мозга эта обработка вторична и поэтому в значительной степени незаметна при взаимодействии с людьми. [15] Алломоны включают цветочные запахи, природные гербициды и природные токсичные растительные химикаты. Информация для этих процессов поступает из вомероназального органа косвенно через обонятельную луковицу. [16] Основные импульсы обонятельной луковицы в миндалевидном теле используются для сопоставления запахов с названиями и распознавания различий между запахами. [17] [18]
Ядра ложа терминальной полоски (BNST) действуют как информационный путь между миндалевидным телом и гипоталамусом, а также гипоталамусом и гипофизом . Аномалии BNST часто приводят к сексуальной путанице и незрелости. BNST также соединяется с септальной областью, поощряя сексуальное поведение. [19] [20]
Митральные импульсы в гипоталамусе стимулируют/препятствуют кормлению, тогда как импульсы дополнительных обонятельных луковиц регулируют репродуктивные и рефлекторные процессы, связанные с обонянием.
Гиппокамп (хотя и минимально связанный с главной обонятельной луковицей) получает почти всю свою обонятельную информацию через миндалевидное тело (либо напрямую, либо через BNST). Гиппокамп формирует новые воспоминания и усиливает существующие.
Аналогичным образом парагиппокамп кодирует, распознает и контекстуализирует сцены. [21] Парагиппокампальная извилина содержит топографическую карту обоняния.
Орбитофронтальная кора (ОФК) тесно связана с поясной извилиной и септальной областью, чтобы отыгрывать положительное/отрицательное подкрепление. ОФК — это ожидание вознаграждения/наказания в ответ на стимулы. ОФК представляет эмоции и вознаграждение при принятии решений. [22]
Переднее обонятельное ядро распределяет реципрокные сигналы между обонятельной луковицей и грушевидной корой. [23] Переднее обонятельное ядро является центром памяти для запахов. [24]
Когда смешиваются различные запаховые объекты или компоненты, люди и другие млекопитающие, вдыхающие смесь (представленную, например, бутылочкой для нюханья), часто не могут идентифицировать компоненты в смеси, даже если они могут распознать каждый отдельный компонент, представленный по отдельности. [25] Это во многом связано с тем, что каждый сенсорный нейрон запаха может возбуждаться несколькими компонентами запаха. Было высказано предположение, что в обонятельной среде, обычно состоящей из нескольких компонентов запаха (например, запах собаки, заходящей на кухню, где присутствует фоновый запах кофе), обратная связь от обонятельной коры к обонятельной луковице [26] подавляет уже существующий фоновый запах (например, кофе) посредством обонятельной адаптации [27] , так что вновь поступивший запах переднего плана (например, собаки) может быть выделен из смеси для распознавания. [28]
Потеря обоняния называется аносмией . Аносмия может быть двусторонней или односторонней.
Проблемы с обонянием можно разделить на различные типы в зависимости от их нарушения. Обонятельная дисфункция может быть полной ( аносмия ), неполной (частичная аносмия, гипосмия или микросмия), искаженной ( дизосмия ) или может характеризоваться спонтанными ощущениями, такими как фантомия . Неспособность распознавать запахи, несмотря на нормально функционирующую обонятельную систему, называется обонятельной агнозией . Гиперосмия — редкое состояние, характеризующееся ненормально повышенным обонянием. Как и зрение и слух, проблемы с обонянием могут быть двусторонними или односторонними, то есть если у человека аносмия на правой стороне носа, но не на левой, это односторонняя правая аносмия. С другой стороны, если это на обеих сторонах носа, это называется двусторонней аносмией или полной аносмией. [29]
Разрушение обонятельной луковицы, тракта и первичной коры ( зона Бродмана 34 ) приводит к аносмии на той же стороне, что и разрушение. Кроме того, раздражающее повреждение крючка приводит к обонятельным галлюцинациям.
Повреждение обонятельной системы может произойти из-за черепно-мозговой травмы , рака , инфекции, вдыхания токсичных паров или нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера . Эти состояния могут вызвать аносмию . Напротив, недавние открытия показали, что молекулярные аспекты обонятельной дисфункции могут быть признаны отличительным признаком заболеваний, связанных с амилоидогенезом, и может даже существовать причинно-следственная связь через нарушение транспорта и хранения многовалентных ионов металлов. [30] Врачи могут обнаружить повреждение обонятельной системы, предъявив пациенту запахи с помощью царапающей и нюхательной карты или попросив пациента закрыть глаза и попытаться определить общедоступные запахи, такие как кофе или мятные конфеты. Врачи должны исключить другие заболевания, которые подавляют или устраняют «чувство обоняния», такие как хроническая простуда или синусит, прежде чем ставить диагноз о наличии постоянного повреждения обонятельной системы.
Распространенность обонятельной дисфункции среди населения США в целом оценивалась с помощью анкетирования и обследования в рамках национального обследования здоровья в 2012–2014 годах. [31] Среди более тысячи человек в возрасте 40 лет и старше 12,0% сообщили о проблеме с обонянием в течение последних 12 месяцев, а 12,4% имели обонятельную дисфункцию при обследовании. Распространенность возросла с 4,2% в возрасте 40–49 лет до 39,4% в возрасте 80 лет и старше и была выше у мужчин, чем у женщин, у чернокожих и мексиканских американцев, чем у белых, и у менее образованных, чем у более образованных. Что касается безопасности, 20% людей в возрасте 70 лет и старше не смогли идентифицировать дым, а 31% — природный газ.
Распространенные причины нарушения обоняния: пожилой возраст, вирусные инфекции, воздействие токсичных химических веществ, травмы головы и нейродегенеративные заболевания. [29]
Возраст является самой сильной причиной снижения обоняния у здоровых взрослых, оказывая даже большее влияние, чем курение сигарет. Возрастные изменения функции обоняния часто остаются незамеченными, и способность чувствовать запах редко проверяется клинически, в отличие от слуха и зрения. 2% людей в возрасте до 65 лет имеют хронические проблемы с обонянием. Это значительно увеличивается между людьми в возрасте 65 и 80 лет, и примерно половина испытывает значительные проблемы с обонянием. Затем для взрослых старше 80 лет эти цифры возрастают почти до 75%. [32] Основой возрастных изменений функции обоняния являются закрытие решетчатой пластинки, [29] и кумулятивное повреждение обонятельных рецепторов от повторяющихся вирусных и других поражений на протяжении жизни.
Наиболее распространенной причиной постоянной гипосмии и аносмии являются инфекции верхних дыхательных путей. Такие дисфункции не изменяются с течением времени и иногда могут отражать повреждение не только обонятельного эпителия , но и центральных обонятельных структур в результате вирусных вторжений в мозг. Среди этих вирусных расстройств — простуда , гепатит , грипп и гриппоподобные заболевания , а также герпес . В частности, COVID-19 связан с нарушением обоняния. [33] Большинство вирусных инфекций нераспознаваемы, поскольку они очень легкие или полностью бессимптомны . [29]
Хроническое воздействие некоторых токсинов, содержащихся в воздухе, таких как гербициды , пестициды , растворители и тяжелые металлы (кадмий, хром, никель и марганец), может изменить способность чувствовать запахи. [34] Эти агенты не только повреждают обонятельный эпителий, но и могут проникать в мозг через обонятельную слизистую оболочку. [35]
Обонятельная дисфункция, связанная с травмой, зависит от тяжести травмы и от того, произошло ли сильное ускорение/замедление головы. Затылочный и боковой удары наносят больший ущерб обонятельной системе, чем фронтальный удар. [36] Однако последние данные, полученные от людей с черепно-мозговой травмой, свидетельствуют о том, что потеря обоняния может возникнуть из-за изменений в работе мозга за пределами обонятельной коры. [37]
Неврологи заметили, что обонятельная дисфункция является кардинальным признаком нескольких нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Большинство этих пациентов не знают о дефиците обоняния до тех пор, пока не пройдут тестирование, в ходе которого у 85–90 % пациентов на ранней стадии заболевания было выявлено снижение активности в центральных структурах обработки запахов. [38]
Другие нейродегенеративные заболевания, которые влияют на обонятельную дисфункцию, включают болезнь Хантингтона, мультиинфарктную деменцию, боковой амиотрофический склероз и шизофрению. Эти заболевания оказывают более умеренное воздействие на обонятельную систему, чем болезни Альцгеймера или Паркинсона. [39] Кроме того, прогрессирующий надъядерный паралич и паркинсонизм связаны только с незначительными обонятельными проблемами. Эти результаты привели к предположению, что обонятельное тестирование может помочь в диагностике нескольких различных нейродегенеративных заболеваний. [40]
Нейродегенеративные заболевания с хорошо установленными генетическими детерминантами также связаны с обонятельной дисфункцией. Такая дисфункция, например, встречается у пациентов с семейной болезнью Паркинсона и у пациентов с синдромом Дауна. [41] Дальнейшие исследования пришли к выводу, что потеря обоняния может быть связана с умственной отсталостью, а не с какой-либо патологией, похожей на болезнь Альцгеймера. [42]
Болезнь Хантингтона также связана с проблемами идентификации запахов, обнаружения, различения и памяти. Проблема становится распространенной, как только появляются фенотипические элементы расстройства, хотя неизвестно, насколько далеко заблаговременно обонятельная потеря предшествует фенотипическому выражению. [29]
Линда Б. Бак и Ричард Аксель получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2004 года за свои работы по обонятельной системе.