CHEMORECEPCE Všechny buňky a všichni živočichové jsou citliví na chemické složení jejich životního prostředí. To je důležité nejen při rozeznávání potravy, ale i při páření, vztazích matka-mládě, značení teritoria a při dalších případech sociálního chování. Citlivost na chemické signály je jedním z charakteristických rysů živých soustav. Využití membránové sensitivity ve službách celku: Motorický NS Vegetativní NS Hormonální S Kůra telencefala Vnější podněty: zvuky, vůně… Vnitřní podněty: hladina Glc, apoptotický signál, tah v membráně… VĚDOMÍ PODVĚDOMÍ Reflexní, automatické řízení Buněčná recepce a komunikace The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004 "for their discoveries of odorant receptors and the organization of the olfactory system" Richard Axel Linda B. Buck 1/2 of the prize 1/2 of the prize USA USA Columbia University New York, NY, USA; Howard Hughes Medical Institute Fred Hutchinson Cancer Research Center Seattle, WA, USA; Howard Hughes Medical Institute b. 1946 b. 1947 Čich Čich - Distanční chemorecepce Modelový objekt pro mnoho dalších signálových drah 7TM receptory Metabotropní signalizace prostřednictvím G proteinů Otevřený systém podobný imunitnímu Velká část (4%) genomu věnovaná čichovým receptorům Savci: 1000 genů pro čichové receptory – největší genová rodina Člověk: 350 funkčních genů Drosophila: 62 Háďátko 1500 GPCR – – G prot. coupled rec. 1031 buněk 302 neuronů Už u prokaryot chemosensitivita E.coli Repelent a atraktant roztáčí flagelární motor na opačné strany, jako lodní šroub. Pozoruhodná konvergence eukaryot: Transdukce, organizace čichové dráhy 2 paralelní čichové systémy ? ? Vomeronasální orgán pro vnitrodruhou komunikaci a čichový systém pro ostatní pachy. Čich Čichové buňky savců jsou bipolární, primární r., je jich 6-10 milionů, dendrit má na konci 5-20 vlásků cilií, řasinek. Čichový lalok – součást koncového mozku Začátek nervové trubice se formoval jako čichové centrum. Čichový lalok – součást koncového mozku Univerzální receptor G prot. signální dráhy 7TM a-helix receptor Čichové receptory tvoří největší rodinu GPCR – G prot. coupled rec. s jedinou zvláštností: velmi dlouhou druhou extracelulární smyčkou. Možná nejzajímavější je hypervariabilní oblast na 3., 4. a 5. transmembránové doméně. Na prostorových modelech se tyto oblasti přikládají k sobě a vytváří jakousi kapsu. Ta je pravděpodobným místem pro vazbu těkavých ligandů . Hypervariabilní oblast Cl ionty také depolarizují – výjimka kvůli vysoké koncentraci uvnitř Ca ionty mají i adaptační význam Univerzální mechanismy transdukce Aktivace Zesílení, max. 4.10-15g/l Adaptace, terminace a modulace Fosforylace receptoru a navázání Arestinu GRK-G prot. coupled rec. Kináza Vše závisí na Ca Snížení afinity kanálu k cAMP Redukce aktivity AC Fosforylace a vypnutí receptoru Obecný mechanismus vypínání metabotropního receptoru Nejen aktivace G prot., ale i vystavení Ser a Thre zbytků blízko C konce a usnadní navázání G protein coupled receptor kinázy (GRK). Ta katalyzuje připojení fosfátové skupiny z ATP na am.kys. GPCR. Fosforylovaný receptor váže arestin, který zasahuje do vazebného místa receptoru pro G protein a brání jeho další aktivaci. Tím ukončuje aktivitu receptoru. Periferie čichové dráhy Rozlišování chem. Struktury podle: a) pozice skupin b) Délky řetězce Laterální inhibice Kontrastování Eferentní inhibice Chomáčková b. Všechny neurony exprimující určitý receptor, bez ohledu na to, kde je umístěn na sliznici, konvergují na jedno jediné místo na čichovém laloku. Těmito místy jsou glomeruly, kulovité shluky šedé hmoty, asi 50-1000 mikrometrů, sestávající z přicházejících axonů z receptorů a z dendritů mitrálních buněk. V jednom zvlášť extrémním případě konverguje několik tisíc smyslových neuronů na asi 10 mitrálních buněk, což je v nervovém systému rekord. http://sites.sinauer.com/wolfe4e/wa14.01.html Podobnost architektury sensorických obvodů a drah Konvergence na příslušný glomerulus (100 - 1000/1) Může tak vzniknout „mapa vůní“ – vzorec aktivovaných glomerulů čichového laloku. Specifická „mozaika“ aktivace pro konkrétní vůni Jde tak o konvergenci neprostorového parametru na prostorový Specializace receptorů Kombinace cca 350 receptorů 3.000-100.000 vůní (?) Ale: 21 MARCH 2014 VOL 343 SCIENCE 1012 – trilion vůní Rozeznává tisíce hlavně nízkomolekulárních organických látek, kterým říkáme pachy nebo vůně. Jsou to alifatické nebo aromatické molekuly s různými uhlovodíkovými bočními větvemi a vazebnými skupinami., aldehydy, estery, ketony, alkoholy, aminy, karboxylové kyseliny, atd. Většina vůní je rozeznávána více než jedním typem receptoru a většina receptorů rozeznává více vůní. Informace o určité vůni je kódována vzájemným poměrem vzruchových aktivit jednotlivých výstupů různě specializovaných čichových buněk. Vůně jsou v reálném světě ve směsích a smícháním více kvalit vzniká nová kvalita (jako barvy u zraku). Rozeznáme dvě směsi, ale ne komponenty v nich (na rozdíl od chuti nebo sluchu). Čich je syntetickým smyslem. Smícháním desítek (různých) vůní vzniká vjem „olfactory white“ vůně. Tak jako u barev a zraku. Zajímavé je, že určité vůně jsou stále stejně cítit při 5 řádovém rozdílu intenzit – přitom se přece zapojují i ne úplně naladěné receptory a tedy i receptory pro jiné vůně! Řešení je možná v neuronech specializovaných jen na koncentrace vyšších pater dráhy. Podobnost architektury sensorických obvodů a drah zraku a čichu nebude náhodná Podobnost architektury sensorických obvodů a drah zraku a čichu nebude náhodná Laterální inhibice: „Zostření“ ladění ve vyšších patrech dráhy Překryv Adaptace a habituace: Některé receptorové buňky reagují trvale nebo jen s malou adaptací na trvalé dráždění. To je ale v kontrastu se zkušeností velmi rychlé adaptace nebo i inhibice subjektivního počitku. Příčina je ve vyšších neurálních obvodech čichové dráhy. Adaptace a habituace: https://wolfe4e.sinauer.com/wa14.02.html Citlivost: Práh čichové citlivosti může být u živočichů podle behaviorálních pokusů dokonce nižší než u jednotlivých receptorů elektrofyziologicky měřený. Jedním důvodem je právě konvergence na glomerulární buňky, dovolující mitrálním buňkám sbírat vstupy z velké populace identicky naladěných primárních neuronů a posílajících tak i velmi slabé signály do mozku. Systém také někdy zvyšuje citlivost na úkor rychlosti (časového rozlišení), která u čichu nehraje tak životně důležitou roli jako u zraku nebo sluchu. Časové parametry čichání – řešení problému identity a koncentrace? At the level of the olfactory bulb (OB) odor information is contained in the spike patterns of mitral/tufted (M/T) cells. Today it is generally assumed that in addition to the identity of the activated M/T cells, the temporal patterns of their responses are important for olfactory coding. In mammals, every sniff evokes a precise, odour-specific sequence of activity across olfactory neurons. Distributed representations reflecting different features of a stimulus can therefore occur in the same circuit at different epochs of a response. Spatial coding and temporal coding are not mutually exclusive, and may instead exhibit synergy in numerous ways. We speculate that time comparisons across glomeruli give a concentration-invariant readout for odour identity, whereas temporal comparison to an internal representation of the sniff yields information about odour concentration. Such a coding scheme can rapidly resolve ambiguities that arise as odour identity and intensity change. Extracting both parameters on a sniff-by-sniff basis may help animals locate and identify odour sources in natural olfactory scenes. doi:10.1038/nature10521 Lateralizace čichu  With the smells that were either neutral or ones that dogs liked (food, lemon, vaginal secretion and cotton swab), the first time dogs sniffed them, they did so with their right nostrils. However, as time went on and they encountered the smells more, they then switched to their left nostrils  The fact that dogs smell with their right nostril first implies that the right side of the brain is involved first. This is thought to be because the right-hand side of the brain deals with novel information (in this case, a new smell), and then once the dog has become accustomed to the smell the left side of the brain takes over more, as this side handles more familiar stimuli.  However, for the other two smells (the vet’s sweat and adrenaline), that perhaps may not be quite as welcome to a dog, the dogs always smelled them with their right nostril. Even though the smell of the vet would be as familiar to the dogs as perhaps dog food or the smell from a female dog, it must have been more stressful to the dogs (as any person who owns a dog knows, taking it to the vet’s generally isn’t a relaxing event for anyone involved). The fight-or-flight response is mainly dealt with by the right side of the brain. Therefore, even though these smells became as familiar as the other ones did, they elicited enough strong emotions like fear to continue being processed by the right-side of the brain (and therefore the right nostril).  doi:10.1016/j.anbehav.2011.05.020 Rostral migratory stream  The rostral migratory stream (RMS) is a specialized migratory route found in the brain of some animals along which neuronal precursors that originated in the subventricular zone (SVZ) of the brain migrate to reach the main olfactory bulb(OB). The importance of the RMS lies in its ability to refine and even change an animal's sensitivity to smells, which explains its importance and larger size in the rodent brain as compared to the human brain, as our olfactory sense is not as developed. When the neurons reach the OB they differentiate into GABAergic interneurons as they are integrated into either the granule cell layer or periglomerular layer.  Although it was originally believed that neurons could not regenerate in the adult brain, neurogenesis has been shown to occur in mammalian brains, including those of primates. However, neurogenesis is limited to the hippocampus and SVZ, and the RMS is one mechanism neurons use to relocate from these areas. 1. Čichový lalok 2. Piriformní kůra 3. Orbitofrontální kůra Centrální části čichové dráhy Orbitofrontální kůra neokortexu Piriformní kůra zahrnuje kortikální amygdalu (paleokortex) Anosmie doprovází úrazy hlavy či neurodegeneraci ve stáří. Lingvistické, deklarativní schopnosti jsou odděleny od čichu – je těžké pojmenovat a popsat čichové počitky. Má vztah k silné emocionální složce čichových vjemů a ukládání paměťových stop. Antabus. Aromaterapie. Vzpomínky. Emoční, hedonická hodnota vždy automaticky přítomná. Je většinou naučená, ne vrozená. A co hmyz ? Projekce do tzv. houbových tělísek, ty zajišťují paměť a naučené chování Terminace odpovědi nezbytná pro časovou rozlišitelnost signálů. Ta je nezbytná pro sledování pachové stopy. Inhibice GABAergním neuronem nutná pro časové rozlišení. Při vyřazení splývají časově oddělené podněty do jednoho. Časové parametry čichu jsou pro sledování voňavé stopy důležité. Pach netvoří kontinuálním gradient, ale sérií obláčků. Časové rozlišení má hranici mezi 5 a 10 Hz. Podobnost mezi hmyzem a obratlovci jen omezená Feromony u obratlovců Interindividuální komunikace -Spouštěče: vyvolávají okamžitý behaviorální projev -Primery: pomalejší změny vývoje nebo metabolismu -Modulátory (?): ovlivňující emoce, náladu (u lidí) Chemické složení: velikost, polarita, těkavost: Atraktanty nebo poplachové feromony – malé a těkavé (alkoholy) Individuální feromony – netěkavé (proteiny) Hlavní čichový epitel (MOE): Těkavé látky, ciliátní čichové buňky Projekce do čichového laloku Každá buňka exprimuje jediný typ receptoru (1300 u myši) Proud vzduchu při nadechování (a vydechování) Identifikace potravy, kořisti, predátora, značení teritoria Otevřený systém vybudovaný na předpokladu, že není možné předvídat, se kterou molekulou se potká. Vomeronasální orgán (VNO): Slepá dutinka pod hlavní čichovou sliznicí Mikrovilární morfologie Projekce do přídavného čichového laloku (AOB) 2 třídy receptorů (G protein, ale málo příbuzné čichovým, asi 200 celkem), velmi citlivé a specifické Vzduch přichází „pumpováním“ při vzrušení (také přímým kontaktem) Nezbytný pro paletu chování spojených s pohlavím a rozmnožováním, výchovou potomstva, nástupu pohl. dospívání, blokování těhotenství, obrany a rozeznávání mláďat, mateřského chování, páření a vnitrodruhové agrese. Dva chemosensitivní systémy savců Citlivost je vysoká, pro feromony myši až 10-10M. Axony jsou mezi čichovými laloky a vstupují do přídatných čichových laloků. Zde najdeme podobně jako v hlavní dráze specificky naladěné glomeruli (přijímají vstupy jen z buněk exprimujících jeden typ receptoru). Projekce pak nevedou ani tak do čichového kortexu, ale spíše do amygdaly a hypotalamu limbického systému, kde vyvolávají nevědomé odpovědi. Vomeronasální orgán (VNO): U člověka také? AOB u dospělců nenalezen, ani inervace ne. Experimentální izolace dvou feromonů: Mužského z potu, ženského z moči MRI a PET ukázaly „rozsvícení“ čichové kůry žen u ženského f. a hypotalamu u mužského f. Muži reagovali opačně. Gayové jako ženy. MHC nepříbuznost detekovaná čichem? MHC molekuly ovlivňují složení těkavých látek moči a Potu = Individualita na dálku Volba partnera, afrodiziaka, parfémy… Aroma, příchuť jídla – kromě orthonasálního ještě i retronasální olfaktorický vjem The location of chemosensory organs in the mouse and Drosophila. (a) A sensory neuron in the olfactory epithelium of mice expresses one of about 1,000 olfactory receptors. Neurons in the apical and basal layers of the vomeronasal organ express distinct, unrelated classes of G-proteincoupled pheromone receptors (V1Rs in the apical and V2Rs in the basal layer). In addition, a small family of MHC class Ilike molecules is coexpressed with V2Rs in neurons of the basal layer. The taste cells in the tongue, palate and pharynx express other classes of GPCRs, one encoding sweet-taste receptors (T1Rs) and one encoding receptors for bitter compounds (T2Rs). Note that V1Rs and T2Rs are related to each other, as are V2Rs and T1Rs, respectively. (b) The olfactory neurons of Drosophila are located in two pairs of appendages in the head, the third antennal segment and the maxillary palps, and each neuron expresses very few, possibly just one, of the 61 olfactory receptor genes identified so far. The gustatory or taste sensory neurons are located in numerous organs, including the two labial palps on the head, internal sensory clusters in the pharynx (not shown), all the legs and the anterior wing margin. Each neuron expresses a few, possibly just one, gustatory receptor gene. A few gustatory receptor genes are also expressed in olfactory neurons of the antenna and maxillary palps. Čich a chuť spolupracují Chuť Na rozdíl od čichu je to smysl, kontaktní, méně citlivý, má mnohem méně receptorů, ale překvapivě různá transdukční schémata. Čich často rozeznává plynnou fázi, chuť vždy kapalnou. Chuť Papily a distribuce chutí na jazyku 15.1 Scientific Urban Legend—The Bogus Tongue Map One of the “facts” that experts have been unable to purge from many textbooks is the notion that sweet is perceived at the tip of the tongue, bitter at the back, sour on the sides, and salty all over. In the case of this myth, we know roughly when it began and we have some idea about what has maintained it in the face of determined efforts by experts to stamp it out. The origin is most likely a book written by Harvard University’s Edwin Boring in 1942. Boring, in addition to his own work, chronicled the history of sensation and perception. He described a study conducted by Hänig in the laboratory of Wilhelm Wundt in 1901 (Hänig, 1901). Hänig wanted to show that the four basic tastes were mediated by different receptor mechanisms (something we take for granted today). He reasoned that if taste thresholds varied with tongue locus, then one would have to conclude that the receptor mechanisms varied as well. Hänig selected points on the oval distribution of taste buds around the perimeter of the tongue and laboriously measured thresholds for substances representing each of the four basic tastes. The variation in thresholds was small but the patterns across the four tastes were different; Hänig had made his point. Boring apparently misunderstood the concentration units in Hänig’s study and failed to appreciate just how small the variations in thresholds really were. Thus, Hänig’s result that sweet thresholds were slightly lower on the front of the tongue and bitter thresholds were slightly lower on the back was misconstrued and turned into the notion that we taste sweet on the front of our tongues, bitter on the back, etc. Since the tongue map became a common laboratory demonstration, generations of students have had reason to doubt the map. Asked why they could not observe it, one group of students said that they “must have done the experiment wrong.” It is worth remembering that textbooks are not always correct. But you can believe us here: receptors for all four of the basic tastes are distributed over the entire tongue. References Boring, E. G. (1942). Sensation and Perception in the History of Experimental Psychology. New York: Appleton-Century-Crofts. Hänig, D. P. (1901). Zur Psychophysik des Geschmackssinnes.Philosophische Studien 17: 576–623. Receptory nejsou neurony, vznikají z epitelu pokožky, sekundární. Opatřené mikrovilli. Chuťové, podpůrné a bazální . Selektivita omezená. Člověk může rozlišit asi 100 chuťových kvalit, přičemž jde asi o skládání 5 základních kvalit: sladké, slané, kyselé, hořké a UMAMI. Jedna chuťová buňka může reagovat na všechny čtyři základní chuťové kvality, ale na jeden typ odpovídá maximálním generátorovým potenciálem. Některé jsou více specialisté jiné generalisté. Transdukční schémata G-prot – gustducin Transdukční schémata Kanál vůbec nemusí měnit propustnost – slané Nebo je citlivý na pH - kyselé Sweet Transdukční schémata pro sladké Varianta I Uzavření K kanálu fosforylací Sweet 2 Transdukční schémata pro sladké Varianta II Neselektivní kationtový kanál se otevírá Hořká chuť Velká řada ligandů Různí druzí poslové Zatímco sladká, umami, slaná (a tučná) chuť poskytují příjemné vjemy, hořká a kyselá chrání před příjmem potenciálně toxických látek a silných kyselin. ATP jako mediátor purinergní signalizace. Chuť ve střevě? Stejné receptory a podobné dráhy řídí reflexní reakce na potravu Nosohltan a trachea – horní c.d. Plíce – dolní c.d. Potenciálně toxické (hořké) substance T2R receptor Kýchání, relaxace dých. cest, pohyb řasinek Sensing fat? Chuť na tučné  CD36 – receptor na lipidy (?), scavenger receptor, uplatňuje se v metabolismu lipidů, zánětu, hemostáze, ateroskleróze, řízení tlaku, při malárii sekvestrace Ery ve slezině http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=potential-taste-receptor 2 názory na kódování chutí: A) labeled lines (analogie sluchu) – jeden nerv, jedna nemíchaná chuť, nepřekrývají se ani buňky ani dráhy, nebo: B) specifické vzorce aktivity (analogie b.vidění nebo čichu – jeden receptor o výsledné kvalitě nic neříká a až směs dvou dává třetí kvalitu) Vnímání sladkého nebo hořkého odráží aktivaci jen určitých receptorových buněk bez ohledu na vlastnosti receptoru nebo chuťových molekul Transgenní myši s přehozenými receptory Jayaram Chandrashekar, Mark A. Hoon, Nicholas J. P. Ryba & Charles S. Zuker. Nature 444, 288-294(16 November 2006) doi:10.1038/nature05401. Závěr: Každou jednotlivou chuť rozeznáme i ve směsi chutí – ochrana. Mícháním chutí se tedy nevytváří chuť (kvalita) zcela nová. Chuť je analytickým smyslem. Solitární jádro Chuťová dráha Axony patří pseudounipolárním neuronům, jejichž těla leží v gangliích VII., IX. a X. hlavového nervu. Přes nižší mozková centra (hypotalamus, talamus) můžeme sledovat cestu chuťové informace ke dvěma korových chuťovým oblastem (postcentrální závit a insula). První asi hraje roli při vnímání prostorového rozmístění chuťových počitků na jazyku a druhá je zodpovědná za vnímání vlastní kvality chuti. Najdeme také významnou projekci do limbického systému a hypotalamu. Uvedené spoje jsou morfologickým substrátem významné emocionální komponenty, která vždy doprovází určitý chuťový vjem a pojí se paměťovými stopami – rozlišování vhodné a nevhodné potravy už od mládí. Zřejmě také zprostředkovávají autonomní reflexní reakce při příjmu potravy (sekrece slin, žaludeční šťávy apod.). Chuťová dráha Insula – lat. část mozkové kůry ležící v hloubi postranní brázdy mozkové sulcus lateralis, je překrytá čelním, temenním a spánkovým lalokem. lat. ostrov http://lekarske.slovniky.cz/pojem/ins ula Chuťová kůra Potěšení z chutí - vrozené prospěšné reflexy. Zvýšená chuť na chybějící složku. Příjemné tóny sladkého a umami signalizují kalorické stravitelné jídlo. Hořká chuť má nízký práh při vyvolávání dávivého reflexu, jde o varování před obvykle jedovatými látkami. Spolupráce s čichem a dalšími smysly při kontrole příjmu potravy. Spolupráce s čichem a dalšími smysly a emocemi při kontrole příjmu potravy – komplex řídící potravní chování. Chuť úzce navázána na emoce, motivace, žádost. Důležité téma současnosti. HygrorecepceVnímání vlhkosti u hmyzu. Podstatné pro život. Mechanismus neznámý: 1) mechanical hygrometers, 2) evaporation detectors 3) psychrometers. Mechanical hygrometers are assumed to respond to the relative humidity, evaporation detectors to the saturation deficit and psychrometers to the temperature depression (the difference between wet-bulb and drybulb temperatures). http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0053998 Termorecepce U některých zvířat spíše Infračervená recepce – elektromagnetické vlny. Termorecepce U některých zvířat spíše Infračervená recepce – elektromagnetické vlny. Mechanismus transdukce ale není příbuzný zraku (fotochemická reakce). Jde o citlivou termorecepci – změna teploty otevírá kanál. Extrémně ciltivé (0.001°C) Termorecepce Kožní termorecepce. Chladově a na horko specializované receptory v kůži. Termorecepce a nocicepce v kůži spolupracují TRPV (transient receptor potential) kanály jsou univerzálními sensory. Nocicepce – vnímání bolesti V případě zraku nebo čichu potřebují primární neurony jediný druh stimulu. Nocicepce je jiná v tom, že primární neurony dráhy bolesti mají schopnost detekovat širokou škálu modalit včetně chemické a fyzikální povahy. Musí být tedy vybavena rozmanitým repertoárem transdukčních zařízení. Na rozdíl od zraku chuti nebo čichu nejsou nervová zakončení pro bolest lokalizována v nějaké anatomické struktuře, ale jsou rozptýlena po celém těle, v kůži, svalech, kloubech vnitřních orgánech. Jsou různé typy vláken, o kterých se předpokládá, že vedou různou rychlostí a zprostředkovávají akutní, ostrou prudkou bolest a jiná difúzní, pozdní bolest tupou. Receptory jsou obvykle polymodální, odpovídající jak na teplotu, tak na mechanické a chemické stimuly a na poranění tkáně. Odpověď na horko je jednou z nejprostupovanějších bolestivých odpovědí. Na rozdíl od čichu nebo fotorecepce polymodalita nociceptorů – chemické, fyzikální i teplotní stimuly Receptory jsou rozptýleny po celém těle Jste li u zubaře a necháte-li si aplikovat anestezi, anestetika blokují všechny napěťově řízené sodíkové kanály. To zablokuje jakékoliv čití a i motorické funkce. Nyní však byly objeveny sodíkové kanály, které jsou pouze v neuronech vnímajících bolest. To je výzva pro farmaceutické laboratoře, aby našly „kouzelnou kulku“ selektivně na ně. TRPV1 kanál, který je otevírán kapsaicinem, nebo teplotami nad 42°C se vyskytuje pouze na nociceptorech! Takže jeho blokáda způsobí anestezii bez paralýzy. Shepherd, Smell…