กลิ่น

ในชีวิตของสัตว์บก ประสาทรับกลิ่นมีบทบาทสำคัญในการสื่อสารกับสิ่งแวดล้อมภายนอก ประสาทรับกลิ่นทำหน้าที่รับรู้กลิ่น กำหนดสารที่มีกลิ่นเป็นก๊าซในอากาศ ในกระบวนการวิวัฒนาการ อวัยวะรับกลิ่นซึ่งมีต้นกำเนิดจากเยื่อบุผิว ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกใกล้กับช่องเปิดปาก จากนั้นรวมเข้ากับส่วนเริ่มต้นของทางเดินหายใจส่วนบนที่แยกออกจากช่องปาก สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิดมีประสาทรับกลิ่นที่พัฒนาได้ดีมาก (แมโครสมาติก) กลุ่มนี้รวมถึงแมลงที่กินสัตว์เคี้ยวเอื้อง สัตว์กีบเท้า และสัตว์ล่าเหยื่อ สัตว์อื่นๆ ไม่มีประสาทรับกลิ่นเลย (อะนัสมาติก) ได้แก่ โลมา กลุ่มที่สามประกอบด้วยสัตว์ที่มีประสาทรับกลิ่นที่พัฒนาได้ไม่ดี (ไมโครสมาติก) ได้แก่ ไพรเมต

ในมนุษย์อวัยวะรับกลิ่น (organum olfactorium)อยู่ที่ส่วนบนของโพรงจมูก บริเวณรับกลิ่นของเยื่อบุจมูก (regio olfactoria tunicae mucosae nasi) ประกอบด้วยเยื่อเมือกที่ปกคลุมเปลือกจมูกส่วนบนและส่วนบนของผนังจมูก ชั้นตัวรับในเยื่อบุผิวที่ปกคลุมเยื่อเมือกประกอบด้วยเซลล์รับกลิ่นประสาท (ccllulae neurosensoriae olfactoriae) ซึ่งรับรู้การมีอยู่ของสารที่มีกลิ่น ระหว่างเซลล์รับกลิ่นมีเซลล์เยื่อบุผิวรองรับ (epitheliocyti sustenans) เซลล์รองรับสามารถหลั่งสารอะโพครินได้

จำนวนเซลล์ประสาทรับกลิ่นมีมากถึง 6 ล้านเซลล์ (30,000 เซลล์ต่อ 1 ตร.มม. ⁾ส่วนปลายของเซลล์รับกลิ่นจะสร้างชั้นหนาที่เรียกว่า olfactory club ชั้นหนาเหล่านี้แต่ละชั้นจะมีซิเลียรับกลิ่นมากถึง 10-12 ชั้น ซิเลียสามารถเคลื่อนที่ได้และหดตัวได้ภายใต้อิทธิพลของสารที่มีกลิ่น นิวเคลียสจะอยู่ในตำแหน่งตรงกลางของไซโทพลาซึม ส่วนฐานของเซลล์รับกลิ่นจะดำเนินต่อไปในแอกซอนที่แคบและคดเคี้ยว บนพื้นผิวด้านยอดของเซลล์รับกลิ่นมีวิลลัสจำนวนมาก

ต่อมรับกลิ่น (glandulae olfactoriae) อยู่ในเนื้อเยื่อเกี่ยวพันหลวมๆ ของบริเวณรับกลิ่น ต่อมเหล่านี้สร้างสารคัดหลั่งที่เป็นน้ำซึ่งช่วยทำให้เยื่อบุผิวชั้นในชุ่มชื้น สารคัดหลั่งนี้ซึ่งชะล้างเซลล์รับกลิ่นออกจากซิเลียจะละลายสารที่มีกลิ่น สารเหล่านี้รับรู้ได้จากโปรตีนตัวรับที่อยู่ในเยื่อหุ้มซิเลีย กระบวนการส่วนกลางของเซลล์รับกลิ่นจะสร้างเส้นประสาทรับกลิ่น 15-20 เส้น

เส้นประสาทรับกลิ่นจะทะลุเข้าไปในโพรงกะโหลกศีรษะผ่านช่องเปิดของแผ่นกระดูกรับกลิ่น จากนั้นจึงเข้าไปในหลอดรับกลิ่น ในหลอดรับกลิ่น แอกซอนของเซลล์รับกลิ่นประสาทรับกลิ่นในกลอเมอรูลัสรับกลิ่นจะสัมผัสกับเซลล์ไมทรัล กระบวนการของเซลล์ไมทรัลในความหนาของช่องรับกลิ่นจะมุ่งตรงไปที่สามเหลี่ยมรับกลิ่น จากนั้นเป็นส่วนหนึ่งของแถบรับกลิ่น (ตรงกลางและตรงกลาง) เข้าสู่สารที่มีรูพรุนด้านหน้า บริเวณใต้คาโลซัล (บริเวณซับคาโลซัล) และแถบทแยงมุม (bandaletta [stria] diagonalis) (แถบโบรคา)เป็นส่วนหนึ่งของแถบด้านข้าง กระบวนการของเซลล์ไมทรัลจะตามเข้าไปในคอร์เทกซ์พาราฮิปโปแคมปัสและเข้าไปในส่วนตะขอซึ่งมีศูนย์รับกลิ่นในเปลือกสมอง

กลไกทางเคมีประสาทของการรับรู้กลิ่น

ในช่วงต้นทศวรรษปี 1950 เอิร์ล ซัทเทอร์แลนด์ใช้ตัวอย่างของอะดรีนาลีนซึ่งกระตุ้นการสร้างกลูโคสจากไกลโคเจนเพื่อถอดรหัสหลักการของการส่งสัญญาณผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งกลายเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับตัวรับหลากหลายประเภท ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ได้มีการค้นพบว่าการรับรู้กลิ่นนั้นดำเนินไปในลักษณะเดียวกัน แม้แต่รายละเอียดของโครงสร้างของโปรตีนตัวรับก็มีความคล้ายคลึงกัน

โปรตีนตัวรับหลักเป็นโมเลกุลที่ซับซ้อน การจับกันของลิแกนด์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เห็นได้ชัดในโมเลกุล ตามด้วยปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา (เอนไซม์) ต่อเนื่อง สำหรับตัวรับกลิ่น เช่นเดียวกับตัวรับภาพ กระบวนการนี้สิ้นสุดลงด้วยแรงกระตุ้นประสาทที่รับรู้โดยเซลล์ประสาทของส่วนที่เกี่ยวข้องของสมอง ส่วนต่างๆ ที่มีสารตกค้าง 20 ถึง 28 ตัวในแต่ละส่วน ซึ่งเพียงพอที่จะผ่านเยื่อหุ้มเซลล์หนา 30 แอนะล็อก บริเวณโพลีเปปไทด์เหล่านี้จะพับเป็นรูปเกลียวรูปตัวเอ ดังนั้น โครงของโปรตีนตัวรับจึงเป็นโครงสร้างที่กะทัดรัดซึ่งประกอบด้วย 7 ส่วนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โครงสร้างของโปรตีนอินทิกรัลดังกล่าวเป็นลักษณะเฉพาะของออปซินในเรตินาของดวงตา ตัวรับเซโรโทนิน อะดรีนาลีน และฮีสตามีน

ข้อมูลโครงสร้างรังสีเอกซ์ไม่เพียงพอที่จะสร้างโครงสร้างของตัวรับเยื่อหุ้มเซลล์ขึ้นใหม่ ดังนั้น ปัจจุบันจึงใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์แอนะล็อกกันอย่างแพร่หลายในรูปแบบดังกล่าว ตามแบบจำลองเหล่านี้ ตัวรับกลิ่นถูกสร้างขึ้นโดยโดเมนที่ไม่ชอบน้ำ 7 โดเมน กรดอะมิโนที่จับกับลิแกนด์จะสร้าง "ช่อง" ที่อยู่ห่างจากพื้นผิวเซลล์ 12 A ช่องดังกล่าวแสดงเป็นรูปดอกกุหลาบซึ่งสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันสำหรับระบบตัวรับที่แตกต่างกัน

การจับกันของกลิ่นกับตัวรับจะส่งผลให้เกิดการกระตุ้นของคาสเคดการส่งสัญญาณหนึ่งในสองคาสเคด ซึ่งก็คือการเปิดช่องไอออนและการสร้างศักย์ของตัวรับ โปรตีน AG ที่เฉพาะเจาะจงต่อเซลล์รับกลิ่นสามารถกระตุ้นอะดีไนเลตไซเคลส ซึ่งทำให้ความเข้มข้นของ cAMP เพิ่มขึ้น โดยมีเป้าหมายเป็นช่องที่เลือกแคตไอออน การเปิดช่องดังกล่าวทำให้ Na+ และ Ca2+ เข้าสู่เซลล์และเกิดการดีโพลาไรเซชันของเยื่อหุ้มเซลล์

การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของแคลเซียมภายในเซลล์ทำให้ช่อง Cl ที่ควบคุมด้วย Ca เปิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การดีโพลาไรเซชันและการสร้างศักยภาพของตัวรับที่มากขึ้น การดับสัญญาณเกิดขึ้นเนื่องจากความเข้มข้นของ cAMP ลดลงเนื่องมาจากฟอสโฟไดเอสเทอเรสเฉพาะ และยังเป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่า Ca2+ ในสารเชิงซ้อนกับแคลโมดูลินจับกับช่องไอออนและลดความไวต่อ cAMP

เส้นทางการดับสัญญาณอีกเส้นทางหนึ่งเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นฟอสโฟไลเปส ซี และโปรตีนไคเนส ซี การฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์จะเปิดช่องไอออนบวก และเป็นผลให้เปลี่ยนศักยภาพของเยื่อหุ้มเซลล์ทันที ซึ่งยังก่อให้เกิดศักยภาพการทำงานด้วย ดังนั้น การฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนโดยโปรตีนไคเนส และการดีฟอสโฟรีเลชันโดยฟอสฟาเทสที่เกี่ยวข้องจึงกลายเป็นกลไกสากลสำหรับการตอบสนองทันทีของเซลล์ต่อสิ่งกระตุ้นภายนอก แอกซอนที่ส่งไปยังหลอดรับกลิ่นจะรวมกันเป็นกลุ่ม เยื่อบุจมูกยังมีปลายประสาทไตรเจมินัลอิสระ ซึ่งบางปลายสามารถตอบสนองต่อกลิ่นได้เช่นกัน ในคอหอย สิ่งกระตุ้นกลิ่นสามารถกระตุ้นเส้นใยของเส้นประสาทสมองกลอสคอฟริงเจียล (IX) และเวกัส (X) ได้ บทบาทของเซลล์เหล่านี้ในการรับรู้กลิ่นไม่เกี่ยวข้องกับเส้นประสาทรับกลิ่น และจะคงอยู่ต่อไปในกรณีที่เยื่อบุรับกลิ่นทำงานผิดปกติเนื่องจากโรคและการบาดเจ็บ

จากการศึกษาทางเนื้อเยื่อวิทยา หลอดรับกลิ่นแบ่งออกเป็นหลายชั้น โดยมีลักษณะเด่นคือเซลล์ที่มีรูปร่างเฉพาะตัวพร้อมด้วยกระบวนการประเภทหนึ่งๆ โดยมีการเชื่อมต่อระหว่างกระบวนการแบบทั่วไป

การบรรจบกันของข้อมูลเกิดขึ้นที่เซลล์ไมทรัล ในชั้นของไตมีเซลล์รับกลิ่นประมาณ 1,000 เซลล์ที่ไปสิ้นสุดที่เดนไดรต์หลักของเซลล์ไมทรัลเซลล์หนึ่งเซลล์ เดนไดรต์เหล่านี้ยังสร้างไซแนปส์เดนไดรต์แบบกลับด้านกับเซลล์รอบโกลเมอรูลัสอีกด้วย การติดต่อระหว่างเซลล์ไมทรัลและเซลล์รอบโกลเมอรูลัสเป็นแบบกระตุ้น ในขณะที่การติดต่อในทิศทางตรงข้ามเป็นแบบยับยั้ง แอกซอนของเซลล์รอบโกลเมอรูลัสจะสิ้นสุดที่เดนไดรต์ของเซลล์ไมทรัลของไตที่อยู่ติดกัน

นอกจากนี้ เซลล์เม็ดยังสร้างไซแนปส์เดนโดรเดนไดรต์แบบกลับกันกับเซลล์ไมทรัลอีกด้วย การติดต่อเหล่านี้ส่งผลต่อการสร้างแรงกระตุ้นโดยเซลล์ไมทรัล ไซแนปส์บนเซลล์ไมทรัลยังยับยั้งอีกด้วย เซลล์เม็ดยังสร้างการติดต่อกับคอลลาเท็กซ์ของเซลล์ไมทรัล แอกซอนของเซลล์ไมทรัลสร้างเส้นทางรับกลิ่นด้านข้างซึ่งมุ่งไปที่เปลือกสมอง ไซแนปส์กับเซลล์ประสาทลำดับที่สูงกว่าจะเชื่อมต่อกับฮิปโปแคมปัสและ (ผ่านอะมิกดาลา) กับนิวเคลียสอัตโนมัติของไฮโปทาลามัส เซลล์ประสาทที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้ากลิ่นยังพบได้ในเปลือกสมองออร์บิโตฟรอนทัลและการสร้างเรติคูลัมของสมองกลาง