Bulbo olfattivo

Il bulbo olfattivo (latino: bulbus olfactorius ) è una struttura neurale del cervello anteriore vertebrato coinvolto nell'olfatto, il senso dell'olfatto. Invia informazioni olfattive da elaborare ulteriormente nell'amigdala, nella corteccia orbitofrontale (OFC) e nell'ippocampo, dove svolge un ruolo nell'emozione, nella memoria e nell'apprendimento. Il bulbo è diviso in due strutture distinte: il bulbo olfattivo principale e il bulbo olfattivo accessorio. Il bulbo olfattivo principale si collega all'amigdala attraverso la corteccia piriforme della corteccia olfattiva primaria e si proietta direttamente dal bulbo olfattivo principale a specifiche aree dell'amigdala. Il bulbo olfattivo accessorio risiede nella regione dorsale-posteriore del bulbo olfattivo principale e forma un percorso parallelo. La distruzione del bulbo olfattivo provoca anosmia ipsilaterale, mentre le lesioni irritative dell'utus possono provocare allucinazioni olfattive e gustative.

Struttura

Nella maggior parte dei vertebrati, il bulbo olfattivo è la parte più rostrale (in avanti) del cervello, come si vede nei ratti. Nell'uomo, tuttavia, il bulbo olfattivo si trova nella parte inferiore (inferiore) del cervello. Il bulbo olfattivo è supportato e protetto dalla placca cribriforme dell'osso etmoide, che nei mammiferi lo separa dall'epitelio olfattivo e che è perforata dagli assoni del nervo olfattivo. Il bulbo è diviso in due strutture distinte: il bulbo olfattivo principale e il bulbo olfattivo accessorio.

Livelli

Il bulbo olfattivo principale ha un'architettura cellulare multistrato. In ordine dalla superficie al centro gli strati sono:

• Strato glomerulare
• Strato plexiforme esterno
• Strato cellulare mitrale
• Strato plessiforme interno
• Strato cellulare granulare

Il bulbo olfattivo trasmette informazioni sull'olfatto dal naso al cervello ed è quindi necessario per un corretto senso dell'olfatto. Come circuito neurale, lo strato glomerulare riceve input diretto dai nervi afferenti, costituito dagli assoni da circa dieci milioni di neuroni del recettore olfattivo nella mucosa olfattiva, una regione della cavità nasale. Le estremità degli assoni si raggruppano in strutture sferiche note come glomeruli in modo tale che ciascun glomerulo riceva input principalmente dai neuroni del recettore olfattivo che esprimono lo stesso recettore olfattivo. Lo strato glomeruli del bulbo olfattivo è il primo livello di elaborazione sinaptica. Lo strato di glomeruli rappresenta una mappa spaziale degli odori organizzata dalla struttura chimica di odorizzanti come il gruppo funzionale e la lunghezza della catena del carbonio. Questa mappa spaziale è divisa in zone e cluster, che rappresentano glomeruli simili e quindi odori simili. Un cluster in particolare è associato a odori rudimentali e viziati che sono rappresentati da determinate caratteristiche chimiche. Questa classificazione può essere evolutiva per aiutare a identificare il cibo che non è più buono da mangiare.

La mappa spaziale dello strato di glomeruli può essere utilizzata per la percezione dell'odore nella corteccia olfattiva. Il livello successivo di elaborazione sinaptica nel bulbo olfattivo si verifica nello strato plessiforme esterno, tra lo strato glomerulare e lo strato cellulare mitrale. Lo strato plessiforme esterno contiene astrociti, interneuroni e alcune cellule mitraliche. Non contiene molti corpi cellulari, ma soprattutto i dendriti delle cellule mitraliche e le cellule granulari GABAergiche sono permeate anche dai dendriti dei neuroni chiamati cellule mitraliche, che a loro volta vengono emessi nella corteccia olfattiva. Esistono numerosi tipi di interneuroni nel bulbo olfattivo, comprese le cellule periglomerulari che sinapsi all'interno e tra i glomeruli e le cellule granulari che sinapsi con le cellule mitraliche. Lo strato cellulare granulare è lo strato più profondo del bulbo olfattivo. È costituito da cellule granulari dendrodendritiche che sinapsi allo strato cellulare mitrale.

Funzione

Questa parte del cervello riceve sensazioni olfattive. Come circuito neurale, il bulbo olfattivo ha una fonte di input sensoriale (assoni dai neuroni del recettore olfattivo dell'epitelio olfattivo) e un'uscita (assoni delle cellule mitraliche). Di conseguenza, si presume generalmente che funzioni come filtro, al contrario di un circuito associativo che ha molti ingressi e molte uscite. Tuttavia, il bulbo olfattivo riceve anche informazioni "dall'alto verso il basso" da aree del cervello come l'amigdala, la neocorteccia, l'ippocampo, il locus coeruleus e la sostantia nigra. Le sue potenziali funzioni possono essere inserite in quattro categorie non esclusive:

• discriminante tra gli odori
• migliorare la sensibilità del rilevamento degli odori
• filtrare molti odori di fondo per migliorare la trasmissione di alcuni odori selezionati
• permettendo alle aree cerebrali superiori coinvolte nell'eccitazione e nell'attenzione di modificare il rilevamento o la discriminazione degli odori.

Mentre tutte queste funzioni potrebbero teoricamente derivare dal layout del circuito del bulbo olfattivo, non è chiaro quali, se del caso, di queste funzioni siano eseguite esclusivamente dal bulbo olfattivo. Per analogia con parti simili del cervello come la retina, molti ricercatori si sono concentrati su come il bulbo olfattivo filtra le informazioni in arrivo dai neuroni recettori nello spazio o su come filtra le informazioni in arrivo nel tempo. Al centro di questi filtri proposti ci sono le due classi di interneuroni; le cellule periglomerulari e le cellule granulari. L'elaborazione avviene ad ogni livello del bulbo olfattivo principale, a partire dalle mappe spaziali che categorizzano gli odori nello strato glomeruli.

Gli interneuroni nello strato plessiforme esterno rispondono ai potenziali d'azione pre-sinaptici e presentano sia potenziali post-sinaptici eccitatori che potenziali post-sinaptici inibitori. Il fuoco neurale varia nel tempo, ci sono periodi di fuoco rapido, spontaneo e modulazione lenta del fuoco. Questi schemi possono essere correlati all'annusamento o al cambiamento di intensità e concentrazione di odore. I modelli temporali possono avere effetto nella successiva elaborazione della consapevolezza spaziale dell'odore. Ad esempio, i treni di spike delle cellule mitraliche sincronizzati sembrano aiutare a discriminare odori simili meglio di quando quei treni di spike non sono sincronizzati. La distruzione del bulbo olfattivo provoca anosmia ipsilaterale mentre la lesione irritante dell'utus può provocare allucinazioni olfattive e gustative.

Inibizione laterale

Strato plexiforme esterno

Gli interneuroni nello strato plessiforme esterno eseguono l'inibizione del feedback sulle cellule mitraliche per controllare la propagazione posteriore. Partecipano anche all'inibizione laterale delle cellule mitraliche. Questa inibizione è una parte importante dell'olfatto in quanto aiuta nella discriminazione degli odori diminuendo il fuoco in risposta agli odori di fondo e differenziando le risposte degli input del nervo olfattivo nello strato cellulare mitrale. L'inibizione dello strato cellulare mitrale da parte degli altri strati contribuisce alla discriminazione degli odori e all'elaborazione di livello superiore modulando l'output dal bulbo olfattivo. Queste iperpolarizzazioni durante la stimolazione degli odori modellano le risposte delle cellule mitraliche per renderle più specifiche per un odore.

Mancano informazioni sulla funzione dello strato plessiforme interno che si trova tra lo strato cellulare mitrale e lo strato cellulare granulare.

Strato cellulare granulare

I dendriti basali delle cellule mitraliche sono collegati agli interneuroni noti come cellule granulari, che da alcune teorie producono inibizione laterale tra le cellule mitraliche. La sinapsi tra cellule mitraliche e granulari appartiene a una rara classe di sinapsi "dendro-dendritiche", il che significa che entrambi i lati della sinapsi sono dendriti che rilasciano neurotrasmettitore. In questo caso specifico, le cellule mitraliche rilasciano il neurotrasmettitore eccitatorio glutammato e le cellule granulari rilasciano il neurotrasmettitore inibitorio acido gamma-aminobutirrico (GABA). Come risultato della sua bidirezionalità, la sinapsi dendro-dendritica può causare l'inibizione da parte delle cellule mitraliche (autoinibizione) e delle cellule mitraliche vicine (inibizione laterale). Più specificamente, lo strato cellulare granulare riceve segnali eccitatori di glutammato dai dendriti basali delle cellule mitraliche e trapuntate. La cellula granulare a sua volta rilascia GABA per causare un effetto inibitorio sulla cellula mitrale. Più neurotrasmettitore viene rilasciato dalla cellula mitrale attivata al dendrite collegato della cellula granulare, rendendo l'effetto inibitorio dalla cellula granulare alla cellula mitrale attivata più forte delle cellule mitraliche circostanti. Non è chiaro quale sarebbe il ruolo funzionale dell'inibizione laterale, sebbene possa essere coinvolto nell'aumentare il rapporto segnale-rumore dei segnali di odore silenziando la velocità di scarica basale dei neuroni non attivati ​​circostanti. Questo a sua volta aiuta a discriminare gli odori. Altre ricerche suggeriscono che l'inibizione laterale contribuisce alla risposta differenziata degli odori, favorendo l'elaborazione e la percezione di odori distinti. Esistono anche prove di effetti colinergici sulle cellule granulari che aumentano la depolarizzazione delle cellule granulari rendendole più eccitabili che a loro volta aumentano l'inibizione delle cellule mitraliche. Ciò può contribuire a un output più specifico dal bulbo olfattivo che assomiglierebbe di più alla mappa degli odori glomerulari. L'olfatto è distinto dagli altri sistemi sensoriali in cui i recettori sensoriali periferici hanno un relè nel diencefalo. Pertanto, il bulbo olfattivo svolge questo ruolo per il sistema olfattivo.

Bulbo olfattivo accessorio

Il bulbo olfattivo accessorio (AOB), che risiede sulla regione dorsale-posteriore del bulbo olfattivo principale, forma un percorso parallelo indipendente dal bulbo olfattivo principale. L'organo vomeronasale invia proiezioni al bulbo olfattivo accessorio rendendolo la seconda fase di elaborazione del sistema olfattivo accessorio. Come nel bulbo olfattivo principale, l'ingresso assonale nel bulbo olfattivo accessorio forma sinapsi con cellule mitraliche all'interno dei glomeruli. Il bulbo olfattivo accessorio riceve input assonale dall'organo vomeronasale, un epitelio sensoriale distinto dall'epitelio olfattivo principale che rileva gli stimoli chimici rilevanti per i comportamenti sociali e riproduttivi, ma probabilmente anche odori generici. È stato ipotizzato che, affinché la pompa vomernasale si accenda, l'epitelio olfattivo principale deve prima rilevare l'odore appropriato. Tuttavia, la possibilità che il sistema vomeronasale funzioni in parallelo o indipendentemente dagli input olfattivi generici non è stata ancora esclusa.

I neuroni sensoriali vomeronasali forniscono input eccitatori diretti ai neuroni del principio AOB chiamati cellule mitraliche che sono trasmessi all'amigdala e all'ipotalamo e quindi sono direttamente coinvolti nell'attività dell'ormone sessuale e possono influenzare l'aggressività e il comportamento di accoppiamento. Gli assoni dei neuroni vomeronasali sensoriali esprimono un determinato tipo di recettore che, diversamente da quello che si verifica nel bulbo olfattivo principale, differisce tra 6 e 30 glomeruli AOB. Le terminazioni dendritiche delle cellule mitraliche attraversano un drammatico periodo di targeting e raggruppamento subito dopo l'unificazione presinaptica degli assoni neuroni sensoriali. La connettività dei neuroni della sensoristica vomernasale alle cellule mitraliche è precisa, con i dendriti delle cellule mitraliche che colpiscono i glomeruli. Esistono prove contro la presenza di un bulbo olfattivo accessorio funzionale nell'uomo e in altri primati superiori.

L'AOB è diviso in due sottoregioni principali, anteriore e posteriore, che ricevono input sinaptici separati da due categorie principali di neuroni sensoriali vomeronasali, V1R e V2R, rispettivamente. Ciò appare come una chiara specializzazione funzionale, dato il ruolo differenziale delle due popolazioni di neuroni sensoriali nel rilevare stimoli chimici di diverso tipo e peso molecolare. Anche se non sembra essere mantenuto centralmente, dove convergono le proiezioni delle cellule mitraliche da entrambi i lati dell'AOB. Una chiara differenza dei circuiti AOB, rispetto al resto del bulbo, è la sua eterogenea connettività tra cellule mitraliche e afferenze sensoriali vomeronasali all'interno dei glomeruli neuropili. Le cellule mitraliche AOB infatti entrano in contatto attraverso processi dendritici apicali glomeruli formati da afferenti di diversi neuroni recettori, infrangendo così la regola di un recettore-uno-neurone che generalmente vale per il sistema olfattivo principale. Ciò implica che gli stimoli rilevati attraverso il VNO ed elaborati in AOB sono sottoposti a un livello di elaborazione diverso e probabilmente più complesso. Di conseguenza, le cellule mitraliche AOB mostrano modelli di cottura chiaramente diversi rispetto ad altri neuroni a proiezione bulbare. Inoltre, l'input dall'alto verso il basso sul bulbo olfattivo influisce in modo differenziale sulle uscite olfattive.

Ulteriore elaborazione

Il bulbo olfattivo invia informazioni olfattive da elaborare ulteriormente nell'amigdala, nella corteccia orbitofrontale (OFC) e nell'ippocampo dove svolge un ruolo nell'emozione, nella memoria e nell'apprendimento. Il bulbo olfattivo principale si collega all'amigdala attraverso la corteccia piriforme della corteccia olfattiva primaria e si proietta direttamente dal bulbo olfattivo principale a specifiche aree dell'amigdala. L'amigdala trasmette informazioni olfattive sull'ippocampo. La corteccia orbitofrontale, l'amigdala, l'ippocampo, il talamo e il bulbo olfattivo hanno molte interconnessioni direttamente e indirettamente attraverso le cortecce della corteccia olfattiva primaria. Queste connessioni sono indicative dell'associazione tra il bulbo olfattivo e le aree superiori di elaborazione, in particolare quelle relative all'emozione e alla memoria.

Amygdala

L'apprendimento associativo tra odori e risposte comportamentali avviene nell'amigdala. Gli odori servono come rinforzi o punitori durante il processo di apprendimento associativo; gli odori che si verificano con stati positivi rafforzano il comportamento che ha determinato lo stato positivo, mentre gli odori che si verificano con stati negativi fanno il contrario. I segnali degli odori sono codificati dai neuroni nell'amigdala con l'effetto comportamentale o l'emozione che producono. In questo modo gli odori riflettono determinate emozioni o stati fisiologici. Gli odori si associano a risposte piacevoli e spiacevoli e alla fine l'odore diventa un segnale e può causare una risposta emotiva. Queste associazioni di odori contribuiscono a stati emotivi come la paura. L'imaging del cervello mostra l'attivazione dell'amigdala correlata con odori piacevoli e spiacevoli, riflettendo l'associazione tra odori ed emozioni.

Ippocampo

L'ippocampo aiuta anche la memoria olfattiva e l'apprendimento. Nell'ippocampo si verificano numerosi processi di memoria olfattiva. Simile al processo nell'amigdala, un odore è associato a una ricompensa particolare, vale a dire l'odore del cibo con il sostentamento. L'odore nell'ippocampo contribuisce anche alla formazione della memoria episodica; i ricordi degli eventi in un determinato luogo o tempo. Il momento in cui alcuni neuroni sparano nell'ippocampo è associato ai neuroni con uno stimolo come un odore. La presentazione dell'odore in un momento diverso può causare il ricordo della memoria, quindi l'odore aiuta a ricordare le memorie episodiche.

Codifica olfattiva in Habenula

Nei vertebrati inferiori (lamprede e pesci teleost), gli assoni delle cellule mitraliche (principali neuroni olfattivi) si proiettano esclusivamente nell'emisfero destro di Habenula in modo asimmetrico. È stato riferito che Habenula dorsale (Hb) sono funzionali asimmetrici con risposte di odore predominanti nell'emisfero destro. È stato anche dimostrato che i neuroni Hb sono attivi spontanei anche in assenza di stimolazione olfattiva. Questi neuroni Hb spontanei attivi sono organizzati in gruppi funzionali che sono stati proposti per governare le risposte olfattive. (Jetti, SK. Et al.2014, Current Biology)

Modelli di depressione

Ulteriori prove del legame tra il bulbo olfattivo e le emozioni e la memoria sono mostrate attraverso modelli di depressione animale. La rimozione del bulbo olfattivo nei ratti provoca efficacemente cambiamenti strutturali nell'amigdala e nell'ippocampo e cambiamenti comportamentali simili a quelli di una persona con depressione. I ricercatori usano ratti con bulbectomie olfattive per ricercare antidepressivi. La ricerca ha dimostrato che la rimozione del bulbo olfattivo nei ratti porta alla riorganizzazione del dendrite, interruzione della crescita cellulare nell'ippocampo e riduzione della neuroplasticità nell'ippocampo. Questi cambiamenti ippocampali dovuti alla rimozione del bulbo olfattivo sono associati a cambiamenti comportamentali caratteristici della depressione, dimostrando la correlazione tra il bulbo olfattivo e l'emozione. L'ippocampo e l'amigdala influenzano la percezione degli odori. Durante certi stati fisiologici come la fame un odore alimentare può sembrare più piacevole e gratificante a causa delle associazioni nell'amigdala e nell'ippocampo dello stimolo dell'odore alimentare con la ricompensa del mangiare.

Corteccia orbitofrontale

Le informazioni olfattive vengono inviate alla corteccia olfattiva primaria, dove le proiezioni vengono inviate alla corteccia orbitofrontale. L'OFS contribuisce a questa associazione di odori-ricompensa e valuta il valore di una ricompensa, ovvero il valore nutrizionale di un alimento. L'OFC riceve proiezioni dalla corteccia piriforme, dall'amigdala e dalle cortecce parahippocampali. I neuroni dell'OFC che codificano le informazioni sulla ricompensa alimentare attivano il sistema di ricompensa quando stimolati, associando l'atto del mangiare alla ricompensa. L'OFS proietta ulteriormente la corteccia cingolata anteriore dove svolge un ruolo nell'appetito. L'OFC associa anche gli odori ad altri stimoli, come il gusto. La percezione e la discriminazione degli odori coinvolgono anche l'OFC. La mappa degli odori spaziali nello strato glomeruli del bulbo olfattivo può contribuire a queste funzioni. La mappa degli odori inizia l'elaborazione delle informazioni olfattive organizzando spazialmente i glomeruli. Questa organizzazione aiuta le cortecce olfattive nelle sue funzioni di percepire e discriminare gli odori.

Neurogenesi adulta

Il bulbo olfattivo è, insieme alla zona subventricolare e alla zona subgranulare del giro dentato dell'ippocampo, una delle sole tre strutture cerebrali osservate a subire continue neurogenesi nei mammiferi adulti. Nella maggior parte dei mammiferi, i nuovi neuroni nascono dalle cellule staminali neurali nella zona sub-ventricolare e migrano rostralmente verso i bulbi olfattivi principali e accessori. All'interno del bulbo olfattivo questi neuroblasti immaturi si sviluppano in interneuroni a cellule granulari perfettamente funzionanti e interneuroni a cellule periglomerulari che risiedono rispettivamente nello strato cellulare granulare e negli strati glomerulari. Gli assoni dei neuroni sensoriali olfattivi che formano sinapsi nei glomeruli olfattivi del bulbo sono anche in grado di rigenerarsi in seguito alla ricrescita di un neurone sensoriale olfattivo che risiede nell'epitelio olfattivo. Nonostante il turnover dinamico di assoni sensoriali e interneuroni, i neuroni a proiezione (neuroni mitralici e trapuntati) che formano sinapsi con questi assoni non sono strutturalmente plastici.

La funzione della neurogenesi adulta in questa regione rimane una questione di studio. La sopravvivenza dei neuroni immaturi mentre entrano nel circuito è altamente sensibile all'attività olfattiva e in particolare alle attività di apprendimento associativo. Ciò ha portato all'ipotesi che i nuovi neuroni partecipino ai processi di apprendimento. Non sono stati osservati effetti comportamentali definitivi in ​​esperimenti di perdita di funzione che suggeriscono che la funzione di questo processo, se del tutto correlata all'elaborazione olfattiva, può essere sottile.

Significato clinico

La distruzione del bulbo olfattivo provoca anosmia ipsilaterale. Il lobo olfattivo è una struttura neutrale del cervello anteriore vertebrato coinvolto nell'olfatto o nell'olfatto.

Altri animali

Evoluzione

Confrontando la struttura del bulbo olfattivo tra specie di vertebrati, come la rana leopardo e il topo di laboratorio, si scopre che condividono tutti lo stesso layout fondamentale (cinque strati contenenti i nuclei di tre principali tipi di cellule; vedere "Anatomia" per i dettagli), pur essendo diverso per forma e dimensioni. Una struttura simile è condivisa dall'analogo centro olfattivo nella mosca della frutta Drosophila melanogaster , il lobo dell'antenna. Una possibilità è che il bulbo olfattivo dei vertebrati e la struttura del lobo delle antenne degli insetti possano essere simili perché contengono una soluzione ottimale a un problema computazionale riscontrato da tutti i sistemi olfattivi e quindi potrebbero essersi evoluti indipendentemente in diversi phyla - un fenomeno generalmente noto come evoluzione convergente.

"L'aumento delle dimensioni del cervello rispetto alla dimensione del corpo - l'encefalizzazione - è intimamente collegato all'evoluzione umana. Tuttavia, due lignaggi evolutivi geneticamente diversi, i Neanderthal e gli umani moderni, hanno prodotto specie umane dal cervello analogo. Pertanto, comprendere l'evoluzione del cervello umano ricerca sulla riorganizzazione cerebrale specifica, probabilmente riflessa dai cambiamenti della forma del cervello. Qui sfruttiamo l'integrazione dello sviluppo tra il cervello e la sua base scheletrica sottostante per testare ipotesi sull'evoluzione del cervello in Homo . Analisi morfometriche geometriche tridimensionali della forma endobasicranica rivelano dettagli precedentemente non documentati dell'evoluzione cambiamenti nella Homo sapiens. bulbi olfattivi più grandi, relativamente più ampia corteccia orbitofrontale, relativamente aumentata e in avanti proiettando i poli del lobo temporale sembrano unica per gli esseri umani moderni. Tale riorganizzazione cerebrale, accanto a conseguenze fisiche per la forma complessiva del cranio, potrebbero aver contribuito all'evoluzione di H. sapiens ' l capacità di guadagno e sociali, in cui le funzioni olfattive superiori e le sue implicazioni cognitive e neurologiche comportamentali avrebbero potuto essere finora fattori sottovalutati ".