FysiologieEdit
Belangrijkste reukorgaanEdit
Bij de mens en andere gewervelde dieren worden geuren waargenomen door reukneuronen in het reukepitheel. Het reukepitheel bestaat uit ten minste zes morfologisch en biochemisch verschillende celtypen. De verhouding van het reukepitheel tot het ademhalingsepitheel (dat niet geïnnerveerd is of van zenuwen is voorzien) geeft een indicatie van de reukgevoeligheid van het dier. Mensen hebben ongeveer 10 cm2 reukepitheel, terwijl sommige honden 170 cm2 hebben. Het reukepitheel van de hond is ook veel dichter geïnnerveerd, met honderd keer meer receptoren per vierkante centimeter. Het zintuiglijk reukorgaan integreert zich met andere zintuigen om de smaakwaarneming te vormen. Landorganismen hebben vaak afzonderlijke reuk- en smaaksystemen (orthonasale reuk en retronasale reuk), maar in het water levende organismen hebben gewoonlijk slechts één systeem.
Moleculen van geurstoffen die door de bovenste concha van de neusholten gaan, lossen op in het slijm dat het bovenste deel van de holte bekleedt en worden gedetecteerd door reukreceptoren op de dendrieten van de reukzinneuronen. Dit kan gebeuren door diffusie of door binding van de geurstof aan geurstofbindende eiwitten. Het slijm dat het epitheel bedekt, bevat mucopolysacchariden, zouten, enzymen en antilichamen (deze zijn zeer belangrijk, aangezien de reukneuronen een directe doorgang voor de infectie naar de hersenen vormen). Dit slijm fungeert als oplosmiddel voor geurmoleculen, stroomt voortdurend, en wordt ongeveer elke tien minuten vervangen.
Bij insecten worden geuren waargenomen door olfactorische sensorische neuronen in de chemosensorische sensilla, die aanwezig zijn in de antennes, palpen, en tarsa, maar ook op andere delen van het insectenlichaam. Geurstoffen dringen binnen in de cuticula poriën van de chemosensorische sensilla en komen in contact met insect odorant-binding proteins (OBPs) of Chemosensory proteins (CSPs), alvorens de sensorische neuronen te activeren.
ReceptorneuronEdit
De binding van het ligand (geurmolecuul of odorant) aan de receptor leidt tot een actiepotentiaal in het receptorneuron, via een tweede boodschapper-route, afhankelijk van het organisme. Bij zoogdieren stimuleert de geurstof adenylaat cyclase tot de synthese van cAMP via een G-eiwit, Golf genaamd. cAMP, dat hier de tweede boodschapper is, opent een cyclisch nucleotide-gated ionkanaal (CNG), waardoor een instroom van kationen (voornamelijk Ca2+ met wat Na+) in de cel ontstaat, waardoor de cel enigszins depolariseert. De Ca2+ opent op zijn beurt een Ca2+-geactiveerd chloridekanaal, wat leidt tot de uitstroom van Cl-, waardoor de cel verder wordt gedepolariseerd en een actiepotentiaal wordt opgewekt. Ca2+ wordt vervolgens geëxtrudeerd via een natrium-calcium exchanger. Een calcium-calmoduline complex remt ook de binding van cAMP aan het cAMP-afhankelijke kanaal, en draagt zo bij aan olfactorische adaptatie.
Het belangrijkste olfactorische systeem van sommige zoogdieren bevat ook kleine subpopulaties van olfactorische sensorische neuronen die geuren enigszins anders detecteren en transduceren. Olfactorische sensorische neuronen die gebruik maken van trace amine-geassocieerde receptoren (TAARs) om geuren te detecteren maken gebruik van dezelfde tweede boodschapper signaal cascade als de canonieke olfactorische sensorische neuronen doen. Andere subpopulaties, zoals die welke de receptor guanylyl cyclase GC-D (Gucy2d) of de oplosbare guanylyl cyclase Gucy1b2 tot expressie brengen, gebruiken een cGMP cascade om hun geurstof liganden transduceren. Deze verschillende subpopulaties (olfactorische subsystemen) lijken gespecialiseerd in de detectie van kleine groepen chemische stimuli.
Dit mechanisme van transductie is enigszins ongewoon, in die zin dat cAMP werkt door directe binding aan het ionkanaal in plaats van door activering van proteïne kinase A. Het is vergelijkbaar met het transductiemechanisme voor fotoreceptoren, waarbij de tweede boodschapper cGMP werkt door directe binding aan ionkanalen, wat suggereert dat misschien een van deze receptoren evolutionair is aangepast aan de andere. Er zijn ook aanzienlijke overeenkomsten in de onmiddellijke verwerking van prikkels door laterale inhibitie.
De gemiddelde activiteit van de receptorneurcellen kan op verschillende manieren worden gemeten. Bij gewervelde dieren kan de respons op een geur worden gemeten met een elektro-olfactogram of door calcium-imaging van receptorneur-terminals in de bulbus olfactorius. Bij insecten kan men elektro-antennografie of calcium beeldvorming in de bulbus olfactorius uitvoeren.
Projecties van de bulbus olfactorius
Olfactorische sensorische neuronen projecteren axonen naar de hersenen binnen de reukzenuw, (hersenzenuw I). Deze zenuwvezels, zonder myelineschede, gaan via perforaties in de cribriformale plaat naar de bulbus olfactorius van de hersenen, die op zijn beurt olfactorische informatie projecteert naar de cortex olfactorius en andere gebieden. De axonen van de reukreceptoren komen in de buitenste laag van de bulbus olfactorius samen in kleine (≈50 micrometer in diameter) structuren die glomeruli worden genoemd. Mitralcellen, gelegen in de binnenste laag van de bulbus olfactorius, vormen synapsen met de axonen van de sensorische neuronen binnen glomeruli en zenden de informatie over de geur naar andere delen van het olfactorische systeem, waar meerdere signalen kunnen worden verwerkt tot een gesynthetiseerde olfactorische perceptie. Er is sprake van een grote mate van convergentie, waarbij 25.000 axonen synapteren op een 25-tal mitraliscellen, en waarbij elk van deze mitraliscellen naar meerdere glomeruli projecteert. Mitraliscellen projecteren ook naar periglomerulaire cellen en granulaire cellen die de mitraliscellen eromheen remmen (laterale inhibitie). Granulaire cellen mediëren ook remming en excitatie van mitraliscellen via paden van centrifugale vezels en de voorste olfactorische kernen. Neuromodulatoren zoals acetylcholine, serotonine en noradrenaline zenden alle axonen naar de bulbus olfactorius en zijn betrokken bij respectievelijk winstmodulatie, patroonscheiding en geheugenfuncties.
De mitraliscellen verlaten de bulbus olfactorius in de laterale olfactorische tractus, die synapt op vijf belangrijke gebieden van de grote hersenen: de anterieure olfactorische kern, de olfactorische knobbel, de amygdala, de piriforme cortex, en de entorhinale cortex. De voorste reukkern projecteert zich, via de voorste commissuur, naar de contralaterale bulbus olfactorius en remt deze af. De piriforme cortex heeft twee grote divisies met anatomisch verschillende organisaties en functies. De anterior piriform cortex (APC) lijkt beter te zijn in het bepalen van de chemische structuur van de geurstof moleculen, en de posterior piriform cortex (PPC) heeft een sterke rol in het categoriseren van geuren en het beoordelen van overeenkomsten tussen geuren (bijvoorbeeld mint, houtachtige, en citrus zijn geuren die kunnen, ondanks het feit dat zeer verschillende chemische stoffen, worden onderscheiden via de PPC in een concentratie-onafhankelijke wijze). De piriforme cortex projecteert naar de mediale dorsale nucleus van de thalamus, die vervolgens projecteert naar de orbitofrontale cortex. De orbitofrontale cortex medieert de bewuste perceptie van de geur. De drielagige piriforme cortex projecteert naar een aantal thalamische en hypothalamische kernen, de hippocampus en de amygdala en de orbitofrontale cortex, maar de functie ervan is grotendeels onbekend. De entorhinale cortex projecteert op de amygdala en is betrokken bij de emotionele en autonome reacties op geur. Het projecteert ook naar de hippocampus en is betrokken bij motivatie en geheugen. Geurinformatie wordt opgeslagen in het lange termijn geheugen en heeft sterke banden met het emotionele geheugen. Dit is mogelijk te wijten aan de nauwe anatomische banden van het olfactorisch systeem met het limbisch systeem en de hippocampus, gebieden van de hersenen waarvan al lang bekend is dat ze betrokken zijn bij respectievelijk emotie en plaatsgeheugen.
Omdat elke receptor reageert op verschillende geurstoffen, en er een grote mate van convergentie is op het niveau van de bulbus olfactorius, kan het vreemd lijken dat de mens in staat is om zoveel verschillende geuren te onderscheiden. Het lijkt erop dat een zeer complexe vorm van verwerking moet plaatsvinden; het kan echter worden aangetoond dat, terwijl veel neuronen in de bulbus olfactorius (en zelfs de pyriforme cortex en de amygdala) reageren op veel verschillende geuren, de helft van de neuronen in de orbitofrontale cortex reageert op slechts een geur, en de rest op slechts een paar. Door middel van micro-elektrode studies is aangetoond dat elke individuele geur een bepaalde ruimtelijke kaart van excitatie in de bulbus olfactorius geeft. Het is mogelijk dat de hersenen in staat zijn specifieke geuren te onderscheiden door ruimtelijke codering, maar er moet ook rekening worden gehouden met temporele codering. In de loop van de tijd veranderen de ruimtelijke kaarten, zelfs voor één bepaalde geur, en de hersenen moeten in staat zijn ook deze details te verwerken.
De inputs van de twee neusgaten zijn gescheiden in de hersenen, met als gevolg dat, wanneer elk neusgat een andere geurstof opneemt, een persoon perceptuele rivaliteit in de reukzin kan ervaren die verwant is aan die van binoculaire rivaliteit.
Bij insecten worden geuren waargenomen door sensoren op de antenne en de bovenkaak en eerst verwerkt door de antennekwab (naar analogie van de bulbus olfactorius), en vervolgens door de paddestoellichamen en de laterale hoorn.
Codering en perceptieEdit
Het proces waarbij olfactorische informatie in de hersenen wordt gecodeerd om een goede perceptie mogelijk te maken, wordt nog onderzocht en wordt nog niet volledig begrepen. Wanneer een geurstof door receptoren wordt waargenomen, breken zij de geurstof in zekere zin af, waarna de hersenen de geurstof weer samenvoegen voor identificatie en waarneming. De geurstof bindt zich aan receptoren die alleen een specifieke functionele groep, of kenmerk, van de geurstof herkennen, en daarom is de chemische aard van de geurstof belangrijk.
Na binding van de geurstof wordt de receptor geactiveerd en zendt een signaal naar de glomeruli. Elke glomerulus ontvangt signalen van meerdere receptoren die vergelijkbare kenmerken van de geurstof waarnemen. Omdat meerdere receptortypes geactiveerd worden door de verschillende chemische eigenschappen van de geurstof, worden ook meerdere glomeruli geactiveerd. Alle signalen van de glomeruli worden vervolgens naar de hersenen gestuurd, waar de combinatie van glomeruli activatie de verschillende chemische kenmerken van de geurstof codeert. De hersenen leggen dan in wezen de stukjes van het activeringspatroon weer bij elkaar om de geurstof te identificeren en waar te nemen. Deze gedistribueerde code stelt de hersenen in staat om specifieke geuren te detecteren in mengsels van vele achtergrondgeuren.
Het is een algemeen idee dat de lay-out van hersenstructuren correspondeert met fysische kenmerken van stimuli (topografische codering genoemd), en soortgelijke analogieën zijn gemaakt in olfactie met concepten zoals een lay-out die correspondeert met chemische kenmerken (chemotopie genoemd) of perceptuele kenmerken. Terwijl chemotopie een zeer controversieel concept blijft, bestaan er aanwijzingen voor perceptuele informatie die geïmplementeerd is in de ruimtelijke dimensies van olfactorische netwerken.
Hoewel de conventionele wijsheid en de lekenliteratuur, gebaseerd op impressionistische bevindingen in de jaren 1920, de menselijke reukzin lang hebben voorgesteld als in staat om ruwweg 10.000 unieke geuren te onderscheiden, heeft recent onderzoek gesuggereerd dat het gemiddelde individu in staat is om meer dan een biljoen unieke geuren te onderscheiden. Onderzoekers in de meest recente studie, die de psychofysische reacties op combinaties van meer dan 128 unieke geurmoleculen getest met combinaties samengesteld uit maximaal 30 verschillende component moleculen, merkte op dat deze schatting is “conservatief” en dat sommige onderwerpen van hun onderzoek zou kunnen zijn in staat om te ontcijferen tussen een duizend biljoen geurstoffen, toe te voegen dat hun slechtste performer kon waarschijnlijk nog steeds onderscheid maken tussen 80 miljoen geuren. Auteurs van de studie concludeerde: “Dit is veel meer dan eerdere schattingen van onderscheidbare olfactorische stimuli. Het toont aan dat het menselijk olfactorisch systeem, met zijn honderden verschillende olfactorische receptoren, de andere zintuigen ver achter zich laat in het aantal fysisch verschillende stimuli dat het kan onderscheiden.” De auteurs merkten echter ook op dat het vermogen om geuren van elkaar te onderscheiden niet analoog is aan het consequent kunnen identificeren ervan, en dat proefpersonen doorgaans niet in staat waren om individuele geurprikkels te identificeren binnen de geuren die de onderzoekers hadden bereid uit meerdere geurmoleculen. In november 2014 werd de studie sterk bekritiseerd door Caltech-wetenschapper Markus Meister, die schreef dat de “extravagante beweringen van de studie gebaseerd zijn op fouten in de wiskundige logica”. De logica van zijn paper is op zijn beurt bekritiseerd door de auteurs van het oorspronkelijke paper.
Accessoir olfactorisch systeemEdit
Veel dieren, waaronder de meeste zoogdieren en reptielen, maar niet de mens, hebben twee afzonderlijke en gescheiden olfactorische systemen: een hoofd olfactorisch systeem, dat vluchtige stimuli detecteert, en een accessoir olfactorisch systeem, dat stimuli in de vloeistoffase detecteert. Gedragsmatige aanwijzingen suggereren dat deze stimuli in de vloeistoffase vaak functioneren als feromonen, hoewel feromonen ook kunnen worden gedetecteerd door het hoofdreukorgaan. In het accessoire olfactorische systeem worden prikkels gedetecteerd door het vomeronasale orgaan, dat zich in de vomer bevindt, tussen de neus en de mond. Slangen gebruiken het om prooien te ruiken door hun tong uit te steken en het orgaan aan te raken. Sommige zoogdieren maken een gezichtsuitdrukking die flehmen wordt genoemd om prikkels naar dit orgaan te leiden.
De zintuigreceptoren van het accessoire reukorgaan bevinden zich in het vomeronasale orgaan. Net als in het hoofdreukorgaan projecteren de axonen van deze sensorische neuronen van het vomeronasale orgaan naar de accessoire bulbus olfactorius, die zich bij de muis bevindt op het dorsaal-posterior gedeelte van de hoofdbulbus olfactorius. Anders dan in het hoofdreukorgaan, projecteren de axonen die de accessoire bulbus olfactorius verlaten niet naar de cortex van de hersenen, maar eerder naar doelen in de amygdala en de bedkern van de stria terminalis, en van daaruit naar de hypothalamus, waar zij mogelijk agressie en paringsgedrag beïnvloeden.
GeneticsEdit
Verschillende mensen ruiken verschillende geuren, en de meeste van deze verschillen worden veroorzaakt door genetische verschillen. Hoewel geurreceptorgenen een van de grootste genfamilies in het menselijk genoom vormen, is slechts een handvol genen onomstotelijk in verband gebracht met bepaalde geuren. Zo zijn bijvoorbeeld de geurstofreceptor OR5A1 en zijn genetische varianten (allelen) verantwoordelijk voor ons vermogen (of falen) om β-ionon te ruiken, een belangrijk aroma in voedingsmiddelen en dranken. Evenzo is de geurstofreceptor OR2J3 geassocieerd met het vermogen om de “grasachtige” geur, cis-3-hexen-1-ol, te ruiken. De voorkeur (of afkeer) van cilantro (koriander) is in verband gebracht met de olfactorische receptor OR6A2.
FunctiesEdit
SmaakEdit
Smaakperceptie is een aggregatie van auditieve, smaak, haptische, en geur zintuiglijke informatie. Retronasale reuk speelt de grootste rol bij de smaakwaarneming. Tijdens het kauwen manipuleert de tong het voedsel waardoor geurstoffen vrijkomen. Deze geurstoffen komen tijdens het uitademen in de neusholte terecht. De olfactie van voedsel heeft de sensatie dat het in de mond zit door de co-activering van de motorische cortex en het olfactorische epitheel tijdens het kauwen.
Olfactie, smaak en trigeminusreceptoren (ook wel chemesthese genoemd) dragen samen bij aan de smaak. De menselijke tong kan slechts vijf verschillende smaakkwaliteiten onderscheiden, terwijl de neus honderden stoffen kan onderscheiden, zelfs in minieme hoeveelheden. Het is tijdens de uitademing dat de olfactorische bijdrage tot de smaak optreedt, in tegenstelling tot die van de eigenlijke reuk, die optreedt tijdens de inademingsfase van de ademhaling. Het reukorgaan is het enige menselijke zintuig dat de thalamus omzeilt en rechtstreeks in verbinding staat met de voorhersenen.
GehoorEdit
Olfactie en geluidsinformatie blijken samen te komen in de olfactorische tuberkels van knaagdieren. Voorgesteld wordt dat deze neurale convergentie aanleiding geeft tot een waarneming die smound wordt genoemd. Terwijl een smaak het resultaat is van interacties tussen geur en smaak, kan een smound het resultaat zijn van interacties tussen geur en geluid.
Vermijding van inteeltEdit
De MHC-genen (bij mensen bekend als HLA) zijn een groep genen die bij veel dieren voorkomen en belangrijk zijn voor het immuunsysteem; in het algemeen hebben nakomelingen van ouders met verschillende MHC-genen een sterker immuunsysteem. Vissen, muizen en vrouwelijke mensen kunnen een bepaald aspect van de MHC-genen van potentiële sekspartners ruiken en geven de voorkeur aan partners met andere MHC-genen dan die van henzelf.
Mensen kunnen bloedverwanten aan de reukzin herkennen. Moeders kunnen aan de lichaamsgeur hun biologische kinderen herkennen, maar niet hun stiefkinderen. Pre-adolescente kinderen kunnen hun volle broers en zussen olfactorisch detecteren, maar niet halfbroers en zussen of stiefbroers en -zussen, en dit zou incestvermijding en het Westermarck effect kunnen verklaren. Functionele beeldvorming toont aan dat dit olfactorische verwantschap detectieproces de frontale-temporale junctie, de insula, en de dorsomediale prefrontale cortex betrekt, maar niet de primaire of secundaire olfactorische cortex, of de verwante piriforme cortex of orbitofrontale cortex.
Omdat inteelt nadelig is, wordt het meestal vermeden. Bij de huismuis is het major urinary protein (MUP) gencluster een sterk polymorf geursignaal van genetische identiteit dat ten grondslag lijkt te liggen aan de herkenning van verwanten en het vermijden van inteelt. Zo zijn er minder paringen tussen muizen die MUP haplotypen delen dan zou worden verwacht bij willekeurige paringen.
Variabiliteit onder gewervelde dierenEdit
Het belang en de gevoeligheid van geur varieert tussen verschillende organismen; de meeste zoogdieren hebben een goede reukzin, terwijl de meeste vogels dat niet hebben, met uitzondering van de tubenoses (bijv. stormvogels en albatrossen), bepaalde soorten gieren, en de kiwi’s. Recente analyses van de chemische samenstelling van vluchtige organische verbindingen (VOC’s) uit de veren van koningspinguïns suggereren echter dat VOC’s olfactorische signalen kunnen geven, die door de pinguïns gebruikt worden om hun kolonie te lokaliseren en individuen te herkennen. Bij zoogdieren is de reukzin goed ontwikkeld bij carnivoren en hoefdieren, die elkaar steeds in de gaten moeten houden, en bij dieren die naar hun voedsel ruiken, zoals mollen. Het hebben van een sterke reukzin wordt macrosmatisch genoemd.
Figuren die wijzen op een grotere of kleinere gevoeligheid bij verschillende diersoorten zijn het resultaat van experimentele bevindingen bij de reacties van dieren die zijn blootgesteld aan aroma’s in bekende extreme verdunningen. Deze zijn dus gebaseerd op de waarnemingen van deze dieren, en niet louter op de werking van de neus. Dat wil zeggen, de reukherkenningscentra van de hersenen moeten reageren op de waargenomen stimulus, wil er sprake zijn van een reactie van het dier op de geur in kwestie. Naar schatting hebben honden in het algemeen een reukzin die ongeveer tienduizend tot honderdduizend maal scherper is dan die van de mens. Dit betekent niet dat zij worden overweldigd door geuren die onze neuzen kunnen waarnemen; het betekent eerder dat zij een moleculaire aanwezigheid kunnen onderscheiden wanneer deze in veel grotere verdunning in de drager, de lucht, aanwezig is.
Scenthounds als groep kunnen één- tot tienmiljoen keer scherper ruiken dan een mens, en bloedhonden, die de scherpste reukzin van alle honden hebben, hebben neuzen die tien- tot honderdmiljoen keer gevoeliger zijn dan die van een mens. Zij werden gefokt met het specifieke doel mensen op te sporen, en kunnen een geurspoor van enkele dagen oud detecteren. De op één na gevoeligste neus is die van de Basset Hound, die werd gefokt om konijnen en andere kleine dieren op te sporen en te bejagen.
Grizzlyberen hebben een reukzin die zeven keer sterker is dan die van de bloedhond, en die essentieel is voor het ondergronds opsporen van voedsel. Met behulp van hun langgerekte klauwen graven beren diepe geulen op zoek naar gravende dieren en nesten, maar ook naar wortels, bollen en insecten. Beren kunnen de geur van voedsel van wel achttien kilometer afstand waarnemen; vanwege hun enorme omvang scharrelen ze vaak nieuwe prooien bij elkaar, waarbij ze de roofdieren (waaronder wolvenroedels en menselijke jagers) verjagen.
De reukzin is minder ontwikkeld bij de catarrhine primaten, en onbestaande bij walvisachtigen, die dit compenseren met een goed ontwikkelde smaakzin. Bij sommige strepsirrhines, zoals de roodbuikmaki, zitten de geurklieren boven op het hoofd. Bij veel soorten is de reukzin sterk afgestemd op feromonen; een mannelijke zijderups kan bijvoorbeeld een enkele molecuul bombykol waarnemen.
Vissen hebben ook een goed ontwikkelde reukzin, ook al leven zij in een aquatisch milieu. Zalm gebruikt zijn reukzin om zich te identificeren en terug te keren naar de wateren waar hij vandaan komt. Meervallen gebruiken hun reukzin om andere individuele meervallen te identificeren en om een sociale hiërarchie te handhaven. Veel vissen gebruiken hun reukzin om paringspartners te identificeren of om op de aanwezigheid van voedsel te wijzen.