Tajemství čichu poodhaleno

Většina živočichů má dva čichové systémy

První je hlavní čichový systém, pozoruhodný svou širokou diskriminační schopností. Zprostředkovává informace o okolním prostředí, potravě, teritoriu apod. Podobně jako např. imunitní systém se čichový systém rovněž chová jako otevřený, tj. jako systém, který „dopředu neví“, s jakým chemickým prostředím se setká.

Druhý, přídatný čichový systém se vyvinul pro specifické účely rozmnožování. Je znám jako vomeronazální (viz L. Stárka et al., Vesmír 76, 203, 1997/4) a specializuje se na rozpoznávání druhově specifických čichových signálů produkovaných jedním pohlavím a vní maných druhým. Informuje o přítomnosti sexuálního partnera, o jeho reprodukčním stavu a dostupnosti. Mimo přímou roli v řízení sexuálního chování se přídatný čichový systém podílí na ovlivňování sociálního chování, jako jsou teritorialita, agrese či sání.

Hlavní čichový systém

Naše schopnost čichat začíná v místě dvou malých plošek na stropu nosní dutiny po stranách nosu, přibližně pod úrovní očí. V ploškách, které obě dohromady dosahují sotva velikosti poštovní známky, je nahuštěno až 10 milionů smyslových neuronů. Jejich miniaturní výběžky (cilie) nesou na svém povrchu bílkoviny (čichové receptory) schopné reagovat s molekulami vůní. Na protipólu cilií tvoří čichové neurony dlouhé výběžky (axony), které končí v čichovém laloku (párovém výběžku předního mozku). Jestliže jsou receptory cilií podrážděny vůní, změní svůj elektrický potenciál, a pokud je elektrická změna dostatečně velká, čichový neuron vyšle do mozku informaci o tom, že byl podrážděn. Informace uložená ve struktuře vůně je podrážděným neuronem „překódována“ do série krátkých elektrických impulzů (akčních potenciálů) vedených axony do mozku. (S procesem překódování podnětů se samozřejmě setkáváme u všech smyslových neuronů, viz např. P. Jirounek, Vesmír 75, 65, 1996/2.)

Charakteristika vůní

Látky schopné dráždit čichové receptory (vůně) sdílejí určité molekulární vlast nosti. Jsou málo rozpustné ve vodě (jsou málo polární), snadno se odpařují (jsou těkavé), dobře se rozpouštějí v tucích (jsou lipofilní) a jejich molekulová váha nepřesahuje 294. Nacházíme mezi nimi alifatické i aromatické molekuly s různou uhlovodíkovou strukturou a různými funkčními skupinami zahrnujícími aldehydy, estery, ketony, alkoholy, acetáty, kyseliny, aminy, iminy, thioly, halidy, nitrily, sulfidy a étery. Molekuly mohou být nasycené i nenasycené, s jednou i více dvojnými vazbami. V přírodních vůních jsou uvedené typy látek navzájem různě kombinovány. Výsledný počet vůní je téměř nekonečný. V souvislosti s čichem a vůněmi je nutné upozornit také na některé specifické vlastnosti. Není bez zajímavosti zmínit například omezenost našeho slovníku pro popisování vůní – je téměř nemožné popsat vůni někomu, kdo ji necítí. Vůně nemohou být měřeny v lineární stupnici jako např. zvuk (frekvence vlnění) nebo světlo (vlnová délka), neboť dosud nejsou popsány elementární fyzikálně-chemické parametry určující kvalitu vůní. Absence klasifikačního systému vůní je důsledkem pozorovaných a dosud nevysvětlených jevů. Nevíme například, proč podobný vjem může být vyvolán látkami odlišných chemických struktur nebo proč dva optické izomery téže molekuly mohou být vnímány odlišně. Ačkoli mnohé látky voní stejně v malých i vyšších koncentracích, jiné voní při nižších koncentracích úplně jinak než při vyšších. Jako příklad uveďme kafr, který má při vyšší koncentraci údajně příjemnou lesní vůni, zatímco naředěn zavání jako moč. Je také známo, že s přidáváním vůní do směsi některé látky mění nebo blokují vnímání jiných a ovlivňují tak výsledný vjem. Mnohé vůně po smíchání už nepřipomínají ty, ze kterých byla směs připravena, a nelze předpovědět, jakou kvalitu výsledná vůně bude mít. Není divu, že navzdory významným objevům v oboru výzkumu fyziologie čichu toho stále ještě víme málo o tom, jak je tato velká skupina látek vnímána a rozpoznávána sice velkým, přece však omezeným počtem receptorů.

Čichové receptory

Svou stavbou čichové receptory připomínají chemoreceptory mozku nebo fotoreceptory. Jsou to bílkoviny vázané na membránu. Jejich řetězce tvoří sedm smyček procházejících membránou. V rámci skupiny čichových receptorů se v řetězci bílkovin střídají úseky, které si jsou podobné, s úseky vysloveně odlišnými. Odlišné části řetězců vytvářejí na vnější straně neuronu specifické vazebné místo. Vnitrobuněčná část molekuly receptorů naopak reaguje s vnitrobuněčnými bílkovinami prostřednictvím G-proteinu. Jestliže se molekuly vůně dostanou k receptorové bílkovině, změní její konformaci (prostorové uspořádání atomů v molekulách) a prostřednictvím G-proteinu jsou aktivovány vnitrobuněčné signalizační dráhy, které ovlivňují mimo jiné také propustnost membrány pro kationty sodíku a vápníku Na⁺ a Ca⁺⁺. Vtok kationtů depolarizuje neuron a vyvolá akční potenciál, který je převeden do mozku. Dráždivost některých čichových neuronů je při interakci s vůní snížena prostřednictvím zvláštních chloridových kanálů, kterými do nitra neuronu vtékají ionty chloru Cl^–. V těch případech se místo depolarizace rozvíjí hyperpolarizace, která naopak vzniku akčních potenciálů brání. Není zatím jasné, zda u obratlovců může vznikat depolarizace i hyperpolarizace na stejném neuronu (jako je tomu u některých korýšů), nebo zda některé neurony reagují tak a jiné naopak.Čichové receptory jsou kódovány překvapivě velkým množstvím genů. U některých živočichů tvoří čichové geny až 4 % genomu! Myš má přibližně 1200 různých čichových genů kódujících 1200 čichových receptorů. Ačkoliv člověk je na svém čichu mnohem méně závislý než myš, má také kolem 1000 čichových genů (tzn. 1000 typů receptorů). Zjistilo se však, že přibližně dvě třetiny lidských čichových genů nejsou funkční (jsou to pseudogeny).

Navzdory tomu je i čichový systém člověka schopen rozpoznávat úctyhodné množství vůní.Geny, které kódují čichové receptory, jsou rozptýleny po celém genomu a nacházejí se téměř na každém chromozomu. Překvapením bylo zjištění, že každý čichový neuron exprimuje jenom jeden jediný čichový gen. Dosud není jasné, jakým způsobem neuron brání expresi dalších genů ani jakým způsobem si mezi geny vybírá. Zdá se ale, že výběr jednoho genu brání expresi jiného. Celý problém začne být ještě zajímavější, když si uvědomíme, jak jsou čichové geny v genomu rozptýleny a že je třeba zajistit proporcionální expresi všech.

Navzdory očekávání se ukázalo, že čichové receptory jsou docela vybíravé (specifické) a pravděpodobně jsou utvářeny tak, aby reagovaly ne na celou molekulu vůně, ale jen na její určitou specifickou vlastnost (determinantu). Protože je molekula vůně obvykle charakterizována kombinací různých determinant, může jeden typ vůně stimulovat více typů receptorů. Naopak je zřejmé, že jeden receptor může reagovat na více molekulárně rozdílných vůní sdílejících určitou chemickou determinantu.

V současnosti však není jasné, zda s čichovým receptorem reaguje molekula vůně sama o sobě, nebo jí v tom pomáhá jiná bílkovina. Cilie čichových receptorů totiž nejsou vystaveny působení vůní přímo. Jsou zanořeny do hlenovité vrstvy (mukózy), která kromě vody a aniontů obsahuje vysoké procento specifických vazebných bílkovin, známých jako proteiny vázající molekuly vůně. Soudí se, že tyto bílkoviny mohou pomáhat přenosu lipofilní molekuly vůní k vlastním receptorům. Také se mohou podílet na odstraňování molekul vůní po aktivaci receptorů. Existují i poznatky svědčící pro možnost, že vůně s čichovými receptory nereagují přímo, ale v komplexu s vazebnými proteiny.Čichová dráhaInformace o podráždění, která vzniká na úrovni čichových receptorů, je předávána neuronům vyššího řádu (projekčním a místním neuronům čichového laloku) ve složitých synaptických strukturách nazývaných glomeruly (lat. glomerulum – klubíčko). V průběhu předávání je informace také upravována. Jednak je výrazně zesílena, jednak odstraňuje nepodstatné šumy. Zesílení je zprostředkováno mimo jiné přepojením statisíců axonů receptorů na mnohem menší počet (zhruba dvě desítky u obratlovců) centrálních neuronů. Kvalitativní úprava signálu je důsledkem vzájemného lokálního propojení jednotlivých glomerulů mechanizmy známými z jiných smyslových systémů (např. laterální inhibicí – viz vysvětlivky).

Z čichového laloku je čichová informace vedena do evolučně nejstarší části mozkové kůry, paleokortexu. Ten je tvořen

• předním čichovým jádrem (spojuje oba čichové laloky),
• pyriformní kůrou (podílí se na rozpoznávání kvality vůní),
• amygdalou – mandlovitou strukturou, která je součástí limbického systému a je zapojena do kontroly emocí, jako jsou hněv, strach, úzkost, agresivita, a podílí se na utváření emoční paměti,
• částí entorhinální kůry – oblasti mozku zprostředkující kontakt s hypokampem, struk-turou podílející se na utváření paměti.

Paleokortex je spojen přes talamus (centrum integrace všech smyslových modalit) s orbitofrontální oblastí mozkové kůry. Tato dráha je pravděpodobně odpovědná za vědomé rozpoznávání vůní (poškození v této oblasti postihuje schopnost rozpoznávání). Jiné dráhy vedou přes amygdalu a hypotalamus (centrum kontrolující homeostázu) a zprostředkovávají emoční a motivační aspekty čichu a mnohé behaviorální i fyziologické účinky vůní (viz např. již zmiňovaný článek o vomeroferinech). Spojení s limbickým systémem a s hypokampem je odpovědné za známou schopnost vůní ovlivňovat náladu a vyvolávat vzpomínky.

Přídatný čichový smysl

Vomeronazální orgán je trubicovitá struktura vyplněná tekutinou. Do nosní dutiny se otevírá prostřednictvím kanálku, který je částečně pokryt epitelem, podobným epitelu v čichové sliznici. Molekuly vůní jsou z nosní dutiny do vomeronazálního orgánu nasávány změnami krevního průtoku, který ovlivňuje průchodnost kanálku. Axony neuronů vomeronazálního orgánu tvoří vomeronazální nerv a vedou do přídatného čichového laloku, tj. části čichového laloku, která je anatomicky oddělena. Přídatný čichový lalok se liší od hlavního způsobem propojení neuronů. Projekční neurony vedou informaci do amygdaly, která má úzké spojení s hypotalamem. Z toho vyplývá, že molekuly vnímané vomeronazálním orgánem ovlivňují fyziologii a chování, ale nejsou vnímány vědomě. Zda člověk skutečně prostřednictvím vůní těla komunikuje, resp. zda má vomeronazální orgán funkční, zůstává zatím předmětem spekulací. Je nanejvýš pravděpodobné, že identifikace čichových receptorů přinese konečnou odpověď i na tuto vzrušující otázku.

Princip rozpoznávání vůní

Ačkoliv jsou smyslové buňky exprimující různé čichové geny v nosní sliznici promíchány téměř nahodile, v čichovém laloku se jejich axony překvapivě přeskupují. Axony smyslových buněk exprimující určitý gen se sbíhají do jediného glomerulu (v čichovém laloku je tak přibližně tolik glomerulů, kolik je kategorií čichových receptorů, resp. genů, které je kódují). Jednotlivé glomeruly tedy představují funkční jednotky specializované na vnímání jedné voňavé determinanty. Z logiky věci vyplývá, že každá vůně aktivuje specifickou kombinaci glomerulů. Kvalita vůně je kódována kombinací glomerulů (vzniká kombinační kód). Čichový lalok je tak strukturou, kde se vytváří prostorová mapa molekulárních vlastností vůní, a to hned ve dvou kopiích (v každém čichovém laloku po jedné). Výzkumy také naznačují, že se obě mapy mohou v detailech lišit, protože ve struktuře nozder existují určité diference ovlivňující vnímání vůní. S nadsázkou lze říci, že nám svět voní každou nosní dírkou jinak.

Kombinační kód vytvářený na úrovni glomerulů a předávaný prostřednictvím projekčních neuronů vyšším mozkovým strukturám je podkladem pro klasifikaci a vědomé rozpoznávání vůní. Úvahy o mechanizmech analýzy vůní v čichové kůře však zůstávají většinou teoretické. Nepříliš četná data naznačují, že projekce čichového laloku do kůry je značně difuzní. Proto donedávna existovala jistá skepse k možnosti prostorového kódování v této oblasti. Čerstvá nositelka Nobelovy ceny za medicínu však použila další ze svých úspěšných genetických triků a podařilo se jí vystopovat projekci informace z definovaného receptoru do kůry. Zjistila, že vstup ze smyslového neuronu nesoucí určitý čichový receptor je vskutku přenášen do skupiny oddělených neuronů kůry. Výsledná mapa se však zdá být odlišná od čichového laloku. Vypadá to totiž, že čichové neurony s určitým receptorem aktivují v kůře více takových diskrétních skupin neuronů.

Fyziologie čichu a popsané mechanizmy kódování jsou podivuhodně shodné u všech vyšších eukaryontních organizmů. V detailech se liší mechanizmy překódování do elektrických impulzů u obratlovců a bezobratlých. Také překódování vomeronazálních receptorů je odlišné. Rozdíly jsou především v aktivaci specifických vnitrobuněčných signalizačních drah.

U savců nacházíme jednu významnou modifikaci. Jejich čichové neurony se i v dospělosti periodicky obnovují. Každý neuron po 40–60 dnech života zaniká a je nahrazen jiným, vzniklým z nediferencovaných kmenových buněk nosní sliznice. Nově vznikající neurony musí opakovaně „vybrat“ k expresi správný gen, prorůst do čichového laloku a přepojit se ve správném glomerulu, jinak by vznikl informační chaos. Protože jsou čichové neurony v čichové sliznici nahodile promíchány a jejich vlákna se po vstupu do čichového laloku přeskupují, nemůže neuron prorůstat podél sousedních neuronů exprimujících stejný receptor, ale musí využívat jiné informace.

I když jsou hlavní principy kódování vůní a čichového překódování v podstatě známy, vlastní mechanizmus interakce receptoru s molekulou vůní zůstává zahalen tajemstvím. Při interakci receptoru s vůní hrají významnou úlohu specifické determinanty. V obecné rovině se předpokládá, že mezi ně patří délka uhlovodíkového řetězce molekuly, funkční skupiny, tvar molekuly, její objem, poloha dvojných vazeb apod. Čichových receptorů je však kolem tisíce. Jaké další determinanty kódují? Dodnes byly vazebné charakteristiky popsány jen u několika málo čichových receptorů a výsledky zatím nedovolující zobecnění. K tomu by bylo potřeba prostudovat vazebné interakce mezi všemi receptory a molekulami vůní, které je stimulují (stanovit odpovědní spektra receptorů). To je ovšem nesnadný úkol. Nejen s ohledem na množství typů receptorů, ale také vzhledem k tomu, že čichové receptory je těžké pěstovat v laboratoři a obtížně se izolují od ostatních, které nesou jiné receptorové bílkoviny. Jistým východiskem by bylo vytvořit linie buněk, jež se dají snadno pěstovat, a potom tyto buňky „přinutit“, aby exprimovaly určitý čichový gen. To se však navzdory značnému úsilí zatím nepodařilo. Zavedení čichového genu do genomu hostitelské buňky zřejmě totiž způsobí, že daná buňka sice produkuje čichové receptorové bílkoviny, ty se však hromadí v cytoplazmě a nejsou schopny najít své místo v membráně. Dosud nepublikované výsledky nasvědčují tomu, že receptorová bílkovina vytvořená hostitelskou buňkou potřebuje k svému začlenění do membrány pomoc jiné bílkoviny, jejíž gen se musí do hostitelského systému přenést spolu s genem čichového receptoru. Jen tak lze dosáhnout funkčního vřazení do membrány hostitelské buňky a začít studovat farmakologii jednotlivých čichových receptorů. Na objasnění otázky, jak je kódováno odlišné vnímání optických izomerů téže vůně nebo proč si některé vůně zachovávají kvalitu v rozsahu více koncentrací zatímco jiné nikoliv, si tedy budeme muset ještě chvíli počkat.