какая часть мозга различает типы вкусовых ощущений

Какая часть мозга различает типы вкусовых ощущений

Проводящий путь анализатора вкуса начинается от вкусовых клеток и обеспечивает восприятие, проведение, анализ и интеграцию вкусовых раздражений.

Вкусовые (рецепторные) клетки входят в состав вкусовых почек (луковиц). В одной вкусовой почке (луковице) содержится от 2 до 6 вкусовых (рецепторных) клеток. На вершине вкусовой почки находится отверстие (вкусовая пора), посредством которого вкусовая ямка открывается на поверхность сосочка слизистой оболочки языка. Вкусовая ямка представляет небольшое углубление в толще почки. Для получения вкусовых ощущений требуется непосредственный контакт растворенных веществ с рецепторами, что достигается у человека в результате затекания жидкости из полости рта в полость вкусовой ямки.

У человека в общей сложности насчитывается от 2000 до 9000 вкусовых почек, которые сосредоточены на дорсальной поверхности языка в многослойном эпителии боковых стенок желобовидных и грибовидных сосочков, меньше в области мягкого неба и небных дужек, на задней поверхности надгортанника и на внутренней поверхности черпаловидных хрящей. Совокупность вкусовых почек представляет орган вкуса.

Возбуждение из вкусовых клеток в виде импульсов передается на чувствительные нейроны, рецепторный аппарат которых образует синапсы на боковой поверхности вкусовых клеток.

К каждой вкусовой почке подходят 1-2 нервных волокна; последние, сближаясь с себе подобными, собираются в конечном счете в 3 нервных пучка, проходящих в составе:

а) лицевого нерва (барабанной струны),
б) языкоглоточного нерва,
в) блуждающего нерва

Тела первых нейронов проводящего пути анализатора вкуса располагаются на периферии в соответствующих узлах.

а) Узел коленца, ganglion geniculi лицевого (промежуточного) нерва лежит в области коленца лицевою нерва в пирамиде височной кости Периферические отростки псевдоуниполярных клеток узла коленца идут в составе барабанной струны лицевого нерва к вкусовым почкам (луковицам) слизистой оболочки верхушки и краям языка (грибовидные сосочки).

Центральные отростки псевдоуниполярных клеток узла коленца устрем ляются в составе промежуточного нерва в мост к чувствительному ядру одиночного пути, где переключаются на II нейроны.

б) Нижний узел языкоглоточного нерва лежит у места выхода нерва из яремного отверстия на нижней поверхности пирамиды височной кости. Периферические отростки псевдоуниполярных клеток узла проходят в составе ветвей языкоглоточного нерва к вкусовым ночкам (луковицам) слизистой оболочки задней трети языка (желобовидные сосочки).

Центральные отростки в составе языкоглоточного нерва направляются в продолговатый мозг к чувствительному ядру одиночного пули, где переключаются на клетки II нейронов.

в) К этому же ядру одиночного пути подходят центральные отростки псевдоуниполярных клеток нижнего узла блуждающего нерва. Узел расположен по выходе из яремного отверстия. Периферические отростки псевдоуниполярных клеток этого узла проходят в составе верхнего гортанного нерва (ветвь блуждающего нерва) к вкусовым почкам (луковицам), редко расположенных в слизистой оболочке надгортанника и внутренней поверхности черпаловидных хрящей.

Ядра проводящего пути вкуса ( вкусовой чувствительности ). Признаки поражения вкуса.

Аксоны II нейронов, тела которых располагаются в чувствительном ядре одиночного пути, в большинстве своем совершают перекрест и в составе медиальной петли достигают вентрального и медиального ядер таламуса противоположной стороны. Меньшая часть идет к таламусу своей стороны Отсюда начинается третий нейрон.

Аксоны III нейронов проходят через заднюю часть задней ножки внутренней капсулы и заканчиваются в корковом конце анализатора вкуса, расположенном в крючке парагиппокампалыюй извилины и в аммоновом роге.

Поражение лицевого (промежуточного) нерва выше места отхождения барабанной струны или языкоглоточною нерва может сопровождаться расстройством вкусовых ощущений на одноименной стороне языка.

При поражении таламуса и коркового ядра вкусового анализатора возможно частичное снижение вкуса на противоположной стороне

При поражении миндалевидного тела развивается вкусовая агнозия (больной ощущает вкус, но не может его обозначить)

Учебное видео анатомии проводящего пути вкусового анализатора

Редактор: Искандер Милевски. Дата последнего обновления публикации: 9.9.2020

Источник

Какая часть мозга различает типы вкусовых ощущений

Мембрана микроворсинок вкусовых клеток содержит специфические участки (рецепторы), предназначенные для связывания растворенных в жидкой среде полости рта химических молекул. Существует четыре разновидности вкусовых ощущений, или четыре вкусовые модальности: сладкое, кислое, соленое и горькое. Строгой зависимости между химической природой вещества и вкусовым ощущением нет: например, сладким вкусом обладают не только сахара, но и некоторые неорганические соединения (соли свинца, бериллия), а самым сладким веществом является не усваиваемый организмом сахарин. Большинство вкусовых клеток полимодальны, т. е. могут реагировать на стимулы всех четырех вкусовых модальностей.

Присоединение к специфическим рецепторам молекул, обладающих сладким вкусом, активирует систему вторичных посредников аденилатциклазы — циклического аденозинмонофосфата, которые закрывают мембранные каналы ионов калия, и поэтому мембрана рецепторной клетки деполяризуется. Вещества, обладающие горьким вкусом, активируют одну из двух систем вторичных посредников: 1) фосфолипазу С — инозитол-3-фос-фат, что приводит к выходу из внутриклеточного депо ионов кальция с последующим выделением медиатора из рецепторной клетки; 2) специфический G-белок гастдуцин, регулирующий внутриклеточную концентрацию цАМФ, которая управляет катионными каналами мембраны и этим определяет возникновение рецепторного потенциала. Действие на рецепторы молекул, имеющих соленый вкус, сопровождается открытием управляемых натриевых каналов и деполяризацией вкусовой клетки. Вещества, обладающие кислым вкусом, закрывают мембранные каналы для ионов калия, что ведет к деполяризации рецепторной клетки.

Величина рецепторного потенциала зависит от вкусового качества и концентрации химического вещества, действующего на клетку. Возникновение рецепторного потенциала приводит к выделению вкусовой клеткой медиатора, действующего через синапс на афферентное волокно первичного сенсорного нейрона, в котором через 40—50 мс от начала действия стимула повышается частота потенциалов действия. Возникшие в афферентных волокнах нервные импульсы проводятся к ядрам одиночных пучков продолговатого мозга. При повышении концентрации действующего вещества общее количество реагирующих чувствительных волокон возрастает за счет вовлечения высокопороговых афферентов в передачу информации от рецепторов.

Вкусовая чувствительность

Пороги вкусовой чувствительности выявляются поочередным нанесением на поверхность языка растворов веществ, обладающих разными вкусовыми качествами (табл. 17.4). Абсолютным порогом чувствительности считают появление определенного вкусового ощущения, отличающегося от вкуса дистиллированной воды. Вкус одного и того же вещества может восприниматься по-разному в зависимости от его концентрации в растворе; например, при малой концентрации хлорида натрия он ощущается сладким, а при большей концентрации — соленым. Максимальная способность различать концентрацию растворов одного и того же вещества и, соответственно, самый низкий дифференциальный порог вкусовой чувствительности характерны для среднего диапазона концентраций, а при высоких концентрациях вещества дифференциальный порог повышается.

Таблица 17.4. Абсолютные пороги восприятия веществ с характерным вкусом

Абсолютные пороги вкусовой чувствительности индивидуально различаются, но у подавляющего большинства людей самым низким оказывается порог определения веществ с горьким вкусом. Эта особенность восприятия возникла в эволюции, она способствует отказу от употребления в пищу веществ горького вкуса, к которым принадлежат алкалоиды многих ядовитых растений. Вкусовые пороги различаются у одного и того же человека в зависимости от его потребности в тех или иных веществах, они повышаются вследствие длительного употребления веществ с характерным вкусом (например, сладостей или соленостей) или курения, потребления алкоголя, обжигающих напитков. Разные области языка различаются вкусовой чувствительностью к различным веществам, что обусловлено особенностями распределения вкусовых рецепторов. Кончик языка более других областей чувствителен к сладкому, боковые стороны языка — к кислому и соленому, а корень языка — к горькому. Вкусовые ощущения в большинстве случаев мультимодальны и основаны не только на избирательной химической чувствительности вкусовых рецепторных клеток, но и на раздражении пищей терморецепторов и механорецепторов ротовой полости, а также действии летучих компонентов пищи на обонятельные рецепторы.

Источник

Анатомия вкуса: как работают наши вкусовые рецепторы

Это перевод статьи из блога «Decoding delicious» о том, как формируется вкусовое впечатление в том числе от кофе

5 мин. на чтение

112542 просмотра

Делимся переводом статьи про анатомию вкуса. Она поможет понять, как формируется вкусовое впечатление и почему в оценке кофе важен не только вкус, но и тело, запах и температура.

Вкусовые сосочки: из чего состоит поверхность языка

Если внимательно посмотреть на язык, мы увидим, что он как будто покрыт маленькими «пупырышками». Кажется, что это и есть наши вкусовые рецепторы. Но на самом деле это вкусовые сосочки. Рецепторы намного меньше: в одном вкусовом сосочке — от 3 до 100 рецепторов.

Вкусовые сосочки языка

Обратите внимание, что некоторые сосочки выглядят иначе, чем другие. Это потому что у нас на языке четыре типа сосочков. В центре языка — множество маленьких, тонких сосочков. Они называются нитевидными и не содержат вкусовых рецепторов. Спереди и по бокам языка — маленькие круглые сосочки, похожие на крапинки. Это грибовидные сосочки — они обычно содержат по 3–5 вкусовых рецепторов.

Увидеть другие два типа гораздо сложнее. Посмотрите на самую заднюю часть языка — туда, где расположены миндалины. Возможно, вам удастся разглядеть несколько выступов по бокам. Это листовидные сосочки. А ближе к небному язычку расположены большие, круглые вкусовые сосочки. Они называются желобовидными. Каждый из этих двух типов содержит более 100 вкусовых рецепторов.

Сладкий, горький, солёный. Правда ли, что разные части языка отвечают за разные вкусы?

Глядя на расположение сосочков на языке, мы вспоминаем уроки биологии, на которых изучали карту языка. Она показывает области, которые отвечают за распознавание разных вкусов — соленого, сладкого, кислого, горького и острого. Но не все так просто: карта языка — это миф! Каждый вкусовой рецептор, независимо от расположения, может распознавать все пять вкусов.

Карта языка — это миф: каждый вкусовой рецептор распознает все пять вкусов

Структура вкусовых рецепторов: как мозг получает сигнал о вкусе

Давайте поближе рассмотрим вкусовой рецептор. Он состоит из двух типов клеток — вкусовых, которые выполняют основную работу по распознаванию вкуса, и вспомогательных. Над каждым вкусовым рецептором расположена вкусовая пора — отверстие, в которое проникают молекулы еды для взаимодействия со вкусовыми клетками.

Каждая вкусовая клетка имеет вкусовой волосок. Когда он соприкасается с молекулой пищи, клетка посылает мозгу импульс: обнаружен вкус! Импульс проходит через черепной нерв, который соединяет вкусовые рецепторы с мозгом.

Каждый вкусовой рецептор содержит 30–50 вкусовых клеток. Это означает, что ваш мозг одновременно обрабатывает тысячи сигналов от вкусовых рецепторов. Он берет информацию, которую посылают рецепторы, и сравнивает с воспоминаниями о вкусах, которые вы когда-либо ощущали. Именно так мозг распознает, что именно вы едите.

Существует всего пять вкусов — сладкий, соленый, кислый, горький и умами. Все остальное ваши вкусовые рецепторы попросту игнорируют. Но мы знаем, что вкусовые впечатления нельзя уместить в пять определений. И в этом случае пора вспомнить про запах и ощущения во рту.

Хрустящий, сочный, тягучий: как ощущение пищи во рту влияет на восприятие вкуса

Когда мы говорим «вкусно», наш мозг на самом деле оценивает не только вкус, но и множество других факторов. Текстура, влажность, температура, жирность — это лишь часть того тактильного опыта, который мы получаем во время жевания или глотания. Вы не станете есть отсыревшую гранолу, пить теплую газировку или угощать друзей засохшим печеньем. Даже если вкус блюд остался тем же, общее впечатление будет негативным.

Как запах влияет на восприятие вкуса

Во время жевания и глотания вы ощущаете запахи даже той пищи, которая уже у вас во рту. Все они поступают в носовую полость, где расположены обонятельные клетки. Эти клетки работают так же, как и вкусовые рецепторы — но отвечают за восприятие запаха, а не вкуса. У них тоже есть крошечные волоски, которые при контакте с запахом посылают мозгу сигнал через обонятельный нерв.

Взаимодействие обонятельных клеток с запахами

В отличие от вкусовых, обонятельные клетки могут различать тысячи разных ароматов — от мясного до фруктового. Получается, что практически каждый компонент нашего вкусового впечатления, кроме пяти известных вкусов, — это на самом деле запах. Поэтому он так важен в восприятии вкуса. Это также объясняет, почему при заложенном носе пища кажется безвкусной.

Действительно ли мы едим «на автомате»?

Нам кажется, что во время приема пищи активна только наша пищеварительная система, но это не так. Наш мозг проделывает огромную работу. А работает он в тандеме с вкусовыми и обонятельными рецепторами — именно они помогают нам распознавать вкусы. Благодаря сложной анатомии мы помним любимые лакомства из детства и можем наслаждаться блюдами в кафе.

Вам может быть интересно:

История гейзерной кофеварки: как появилась знаменитая la moka, ставшая символом Италии

21 окт 2019 · 4 мин. на чтение

112542 просмотра

Источник

Клеточные механизмы восприятия вкуса

Об авторе

Роман Александрович Романов — доктор биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной физиологии клетки Института биофизики клетки РАН (Пущино, Московская обл.). Научные интересы связаны с механизмами афферентной нейропередачи во вкусовых клетках.

Рис. 1. Вкусовая система [1]

Строение периферического отдела вкусовой системы

Рис. 2. Схематическое изображение вкусовой почки [1]

Этот отдел включает более 5000 особых образований — сосочков разной формы: грибовидных (они находятся в передней части языка), желобовидных (в его корневой доли) и листовидных (по бокам). Уже на этом уровне проявляется определенная, хотя и неполная, специализация. Так, основная информация о сладком приходит в мозг прежде всего от грибовидных сосочков, тогда как о горьком — от желобовидных, а о кислом и соленом — от листовидных. Вкусовые сосочки состоят из почек (в общей сложности их во рту около 10 тыс.) — ассоциатов из 50–100 выстроенных подобно долькам апельсина специализированных клеток вытянутой формы (рис. 2). Они обладают многими свойствами нейронов, такими как способность к генерации потенциалов действия (волн возбуждения, возникающих, как правило, при деполяризации мембраны, изменении ее потенциала в сторону положительных значений) и образование синапсов (мест контакта между двумя клетками). Но, несмотря на наличие признаков электровозбудимых тканей, вкусовые, как и сенсорные клетки органов слуха и равновесия, развиваются из эпителия. Сама вкусовая почка не достигает поверхности слизистой оболочки языка, в полость рта выходит только пора, через которую растворенные в слюне вещества контактируют со вкусовыми клетками. Их наружная часть представлена микроворсинками с расположенными на них рецепторами — главными участниками процессов распознавания, усиления и преобразования пищевых сигналов. Рецепторы микроворсинок при связывании своих лигандов (веществ, специфически соединяющихся с рецептором) запускают каскад биохимических реакций во вкусовой клетке, которая в ответ высвобождает нейромедиатор (химическое вещество, передающее электрический сигнал на нервное волокно), стимулирующий вкусовой нерв. И в итоге в мозг уходят электрические импульсы, несущие информацию об интенсивности и разновидности воздействия.

Среди вкусовых клеток выделяют как минимум три типа: темные (I), так как они интенсивно окрашиваются на ультратонких срезах, светлые (II) и промежуточные (III). Апикальная часть, непосредственно контактирующая с ротовой полостью, обычно богата микроворсинками (исключение составляют клетки III типа, у них только одна микроворсинка) и несет метаботропные рецепторы (вызывающие изменения в клеточном метаболизме после связывания со своими лигандами), сопряженные с G-белками, ионные каналы и другие сигнальные белки. Базальная часть, не имеющая доступа ко вкусовым веществам, отвечает за связь с афферентными и эфферентными (проводящими возбуждение от органов и тканей в центральную нервную систему и наоборот) нервными окончаниями и, возможно, с другими рецепторными клетками вкусовой почки. Апикальные части всех трех типов клеток соединены друг с другом окружающими их плотными контактами — белковыми образованиями, которые выглядят как пояс из переплетающихся нитей и служат барьером для диффузии вкусовых веществ. Средняя продолжительность жизни вкусовой клетки не превышает 10 дней.

Функциональные типы вкусовых клеток

В 2000-х годах во вкусовых клетках удалось идентифицировать ряд важных белков, а главное, определить их роль в восприятии стимулов той или иной модальности. Были открыты и молекулярные рецепторы горьких и сладких веществ, принадлежащие разным семействам. Сейчас известно около 30 членов семейства T2R (Taste Receptors), специфичных для вкусовых клеток метаботропных G-белковых рецепторов, которые чувствительны к горькому [2]. Их области, находящиеся вне клетки (это потенциальные сайты связывания с лигандами), т. е. экспонированные в ротовую полость, сильно различаются аминокислотной последовательностью, а остальная часть этих молекул высококонсервативна. В одной клетке у млекопитающих одновременно работает множество T2R-рецепторов для различных горьких веществ, действующих на одни и те же элементы внутриклеточного сигнального каскада. Вот почему среди горького не существует различающихся «подвкусий», все горькое ощущается одинаково. Совсем иначе воспринимается сладкое — углеводы, белки и аминокислоты, синтетические соединения. Все они возбуждают один-единственный рецептор, который обладает очень большой внеклеточной частью с множеством аллостерических центров, связывающих сладкие вещества [3]. Этот универсальный для всего спектра сладкого рецептор формируется двумя белками из другого специфического для вкусовых клеток семейства — T1R, в результате образуется димер T1R2+T1R3.

С помощью электронной микроскопии, иммуногистохимии и РНК-гибридизации in situ в популяции вкусовых клеток того или иного типа постепенно были идентифицированы различные белки, участвующие в кодировании (переводе интенсивности и длительности раздражения в электрический импульс) вкусовых стимулов. Благодаря этому удалось выявить физиологические функции клеток и понять, что их типы отличаются не только морфологически, но и функционально (рис. 3). Выяснилось, что клетки II типа подразделяются на самом деле на три отдельные группы, ответственные за восприятие горького (T2R), сладкого (димеры T1R2+T1R3) и умами (димеры T1R1+T1R3). Однако для всех трех групп общей остается система внутриклеточной сигнализации, запускаемая в ответ на вкусовую стимуляцию. Каскад реакций включает активацию G-белка гастдуцина и фосфолипазы С β2, увеличение концентрации кальция в цитозоле и открытие кальций-зависимого ионного канала TRPM5, влекущее за собой деполяризацию мембраны [4]. Вкусовые клетки III типа ответственны за восприятие кислого, поскольку именно в них функционирует pH-активируемый ионный канал PKD2L1. Это удалось доказать в экспериментах на генетически модифицированных мышах — они теряли чувствительность к кислому в отсутствие клеток, экспрессирующих PKD2L1 [5]. Клетки I типа, с одной стороны, выполняют функции глиальных (создающих специфическое микроокружение для нейронов) и отчасти сходны с ними морфологически — имеют отростки, правда, крыловидные. Последние создают физические барьеры между клетками вкусовой почки и предотвращают вытекание нейромедиатора из пространства с нервными окончаниями. Более того, на плазматической мембране клеток I типа есть характерный для глии белок — транспортер глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (GLAST — GLutamate ASpartate Transporter), а также внеклеточный фермент эктоапираза 2, или эктонуклеозидтрифосфатдифосфогидролаза (E-NTPDase — EctoNucleoside TriPhosphate Diphosphohydrolase) [6, 7]. Они утилизируют молекулы глутамата и АТФ, появляющиеся в межклеточном пространстве вкусовой почки в процессе акта нейропередачи. Считается, что АТФ высвобождается вкусовыми клетками при их стимуляции, а глутамат — эфферентными нервными окончаниями, которые регулируют работу вкусовой почки. С другой стороны, клетки I типа участвуют в рецепции соленого, так как именно в них функционируют эпителиальные натриевые каналы (ENaC — Epithelial Na + Сhannel), блокируемые диуретиком амилоридом, а соленое восприятие им в значительной степени регулируется.

Рис. 3. Морфофункциональные типы клеток вкусовой почки. Клетки I типа выполняют функции глиальных, так как они имеют аминокислотный транспортер GLAST и эктоапиразу NTPDase-2, и участвуют в рецепции соленого за счет натриевых каналов ENaC. Клетки II типа подразделяются на три группы, ответственные за восприятие горького (благодаря семейству рецепторов T2R), сладкого (участвуют димеры T1R2+T1R3) и умами (обеспечивается димерами T1R1+T1R3). Клетками III типа воспринимается кислое за счет pH-активируемых ионных каналов PKD2L1

Афферентная нейропередача во вкусовых клетках

Как же вкусовые клетки разных типов передают информацию на нервные окончания? Обычно нейропередача происходит благодаря синаптическим пузырькам, наполненным афферентным нейромедиатором. При слиянии с клеточной мембраной (кальций-зависимом экзоцитозе) они высвобождают свое содержимое в межклеточное пространство, возбуждая близлежащее нервное окончание. За открытие молекулярных основ везикулярного транспорта Джеймсу Ротману, Ренди Шекману и Томасу Зюдофу в 2013 г. была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине. Однако только в клетках III типа, распознающих кислое, имеются синаптические пузырьки и другие атрибуты классических химических синапсов, включая белки комплекса SNARE (они осуществляют экзоцитоз) и потенциал-зависимые кальциевые каналы (благодаря которым процесс экзоцитоза запускается). Ранее, кстати, из-за того что образование синапсов с афферентным нервным окончанием присуще лишь клеткам III типа, они ошибочно рассматривались как единственные истинно рецепторные. Кислые вещества вызывают открытие ионных каналов PKD2L1 и других протон-чувствительных каналов клеток III типа. Входящий ток (обусловленный поступлением в клетку ионов) приводит к деполяризации мембраны выше критического уровня и к генерации серии потенциалов действия, частота которых зависит от силы тока, пропорционального, в свою очередь, концентрации протонов во вкусовой поре. Это влечет за собой активацию потенциал-зависимых кальциевых каналов и вход кальция в клетку. Повышение его концентрации в цитозоле запускает экзоцитоз синаптических пузырьков и высвобождение нейромедиатора серотонина на вкусовое нервное окончание. Таким образом, нейропередача клетками III типа осуществляется вполне традиционным способом (рис. 4).

Рис. 4. Нейропередача вкусовыми клетками III типа. Кислые вещества вызывают открытие ионных каналов PKD2L1 и других протон-чувствительных каналов клеток III типа. Входящий ток (обусловленный поступлением в клетку ионов) приводит к деполяризации мембраны выше критического уровня и генерации серии потенциалов действия, частота которых зависит от силы тока, пропорционального, в свою очередь, концентрации протонов во вкусовой поре. Это влечет за собой активацию потенциал-зависимых (ПЗ) кальциевых каналов и вход кальция в клетку. Повышение его концентрации в цитозоле запускает экзоцитоз синаптических пузырьков и высвобождение нейромедиатора серотонина на вкусовое нервное окончание

Сложнее и запутаннее обстоит дело с другими клетками. Синаптических контактов с нервными волокнами клетки I типа не формируют. Считается, что их основная функция во вкусовой почке — поддерживающая, вспомогательная. Поэтому механизм, используемый ими для передачи в мозг информации о соленом, до сих пор не исследован. До недавнего времени также совершенно неизученными оставались механизмы афферентной нейропередачи во вкусовых клетках II типа. Хотя это основные рецепторные клетки для горького, сладкого и умами, в них отсутствуют синаптические структуры (включая белки комплекса SNARE и потенциал-зависимые кальциевые каналы). Еще одна проблема заключается в том, что клетки II типа электрически возбудимы, но, поскольку они не образуют классических синапсов, совершенно непонятно, для чего ими генерируются потенциалы действия. Афферентным нейромедиатором, передающим информацию о вкусе от этих клеток, оказался АТФ. Уже более 20 лет известно, что АТФ — это не только макроэргическая молекула, универсальный источник энергии для различных биохимических и физиологических процессов, но и внеклеточный лиганд множества рецепторов [8]. В качестве нейромедиатора АТФ, например, участвует в болевой чувствительности (многие знают не понаслышке, что подкожные инъекции АТФ весьма болезненны). В 2005 г. группа исследователей установила, что афферентные нейроны мышей, у которых были одновременно инактивированы гены, кодирующие АТФ-рецепторы P2X2 и P2X3, перестают отвечать на вкусовые стимулы всех модальностей, а реакции таких животных на сладкое, горькое и умами сильно снижены [9]. Это свидетельствовало о роли АТФ в качестве вкусового нейромедиатора и подтверждало наблюдение, что горькие вещества вызывают секрецию АТФ из языкового эпителия. Возникло предположение, что цепь событий, приводящих к выбросу нейромедиатора и возбуждению вкусового нерва в ответ на горькое, сладкое и умами, должна включать — как необходимые этапы — активацию ионного канала TRPM5 (согласно данным по генетическому нокауту и свойствам рекомбинантного, т. е. полученного с помощью генной инженерии, канала) и клеточную деполяризацию. Значит, выброс клеткой нейромедиатора, АТФ, должен стимулироваться деполяризацией мембраны. Связь ответа на горькое и деполяризации уже наблюдали ранее в экспериментах со стимуляцией вкусовых клеток смесью двух горьких веществ — циклогексимида и денатония.

Мы проверили способность вкусовых клеток, выделенных из языка мыши, высвобождать АТФ в ответ на деполяризацию мембраны. В экспериментах мы одновременно управляли электрической активностью клеток и измеряли концентрацию кальция в АТФ-биосенсорах. В качестве последних использовались клетки линии COS-1, загруженные кальциевым индикатором Fluo-4. Они проявляют уникально высокую чувствительность к АТФ в среде, генерируя внутриклеточные кальциевые ответы (т. е. флуоресцируя под микроскопом) при концентрациях АТФ от 50 нМ, и крайне низкую чувствительность к ряду других нейромедиаторов, ранее идентифицированных во вкусовой почке. Типы вкусовых клеток мы различали по их электрофизиологическим свойствам (форме ионных токов, генерируемых в ответ на ряд последовательных, ступенчатых поляризаций от −100 до 50 мВ), которые регистрировались непосредственно в ходе эксперимента [10–12]. Вкусовые клетки II типа при потенциале покоя (мембранном потенциале невозбужденной клетки, т. е. разности электрических потенциалов на внутренней и наружной сторонах мембраны) в диапазоне −70. −40 мВ не вызывали в клетках линии COS-1, расположенных рядом, никаких кальциевых ответов. Но деполяризация клеток II типа до потенциала −10 мВ и выше вызывала повышение концентрации кальция в клетках COS-1 с задержкой от 3 до 10 с — в зависимости от расстояния между вкусовой клеткой и АТФ-биосенсором (рис. 5). Подавление флуоресценции АТФ-биосенсора в присутствии ингибитора АТФ-рецепторов сурамина подтвердило, что нейромедиатором, высвобождаемым вкусовыми клетками II типа, служит именно АТФ [11].

Рис. 5. Схема эксперимента, подтверждающего высвобождение АТФ вкусовыми клетками II типа (а–г). Вкусовой клеткой при потенциале −70 мВ АТФ не секретируется, и потому расположенные рядом с ней АТФ-биосенсоры (клетки линии COS-1) не флуоресцируют (б). Однако после деполяризации вкусовой клетки до 10 мВ в АТФ-биосенсорах увеличивается концентрация кальция, что видно по усилению в них флуоресценции кальциевого зонда Fluo-4 (в). Восстановление исходного потенциала вкусовой клетки (−70 мВ) приводит к падению флуоресценции АТФ-биосенсоров (г). Цветовая шкала (в, справа) показывает интенсивность флуоресценции, увеличивающуюся от синего к красному. Адаптировано из [11]

Секреция АТФ может осуществляться двумя известными на сегодня способами: либо везикулярно (т. е. посредством экзоцитоза, управляемого локальным повышением внутриклеточной концентрации кальция), либо через специфические мембранные транспортеры или ионные каналы [13]. Предположим, что во вкусовых клетках II типа работает везикулярный механизм выброса АТФ. Тогда, если заблокировать вход внешнего кальция в клетку и/или не дать ей самой увеличить концентрацию кальция в цитозоле, секреция АТФ должна заметно снизиться. Но уменьшение концентрации кальция в среде до 100 нМ и введение в клетки II типа быстрого кальциевого хелатора BAPTA (связывающего ионы кальция) не привели к заметным изменениям в секреции ими АТФ. Значит, его высвобождение происходит не классическим везикулярным (кальций-зависимым) способом, а при участии ионных каналов [11]. Если это действительно так, то они должны быть проницаемы не только для АТФ, молекулярная масса которого около 600 Да, но и для других, более мелких молекул, например, флуоресцентных трейсеров (веществ, используемых для наблюдения за протеканием химической реакции или биологического процесса). Так, каналы, формируемые белками коннексинами, проницаемы для молекул массой до 1 кДа, включая АТФ, цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), инозитолтрифосфат (IP₃ — Inositol trisPhosphate) и др. Поэтому гипотезу высвобождения АТФ через ионные каналы можно подтвердить, доказав, что в ответ на деполяризацию внутрь вкусовых клеток проникают крупные отрицательно заряженные флуоресцентные молекулы из окружающего раствора. И действительно, в наших экспериментах красители Lucifer Yellow (LY), флуоресцеин и карбоксифлуоресцеин оказывались внутри вкусовых клеток II типа после их деполяризации — они начинали ярко светиться под флуоресцентным микроскопом [11, 14]. Итак, выброс АТФ и вход в клетки II типа флуоресцентных красителей зависят от потенциала. Деполяризация необходима для адекватного вкусового восприятия, но сама по себе не приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле (в отличие от клеток III типа с потенциал-зависимыми кальциевыми каналами). Все это свидетельствует в пользу того, что АТФ во вкусовых клетках II типа высвобождается через специфические потенциал-зависимые ионные каналы.

Интересно было разобраться, какие белки формируют во вкусовых клетках II типа столь необычные АТФ-проницаемые ионные каналы. На момент исследований кандидатами служили некоторые анионные каналы, а также полупоры, образованные белками коннексинами и паннексином 1. Известные блокаторы анионных каналов и ингибиторы паннексина 1 не оказывали значительных эффектов на секрецию АТФ [11]. Она сохранялась и у животных с выключенным геном, кодирующим паннексин 1, в ответ на вкусовую и электрическую стимуляцию [11, 14, 15]. Это исключало возможность участия анионных каналов и паннексина 1 в высвобождении АТФ клетками II типа. Далее мы проверили влияние на их АТФ-проницаемые каналы ряда веществ, которые ингибируют открытие различных полупор. Только октанол, неспецифичный ингибитор коннексинов, и пептид 43 GAP26, также блокирующий некоторые коннексины, сильно подавляли выброс АТФ. Похоже было, что роль АТФ-транспортера во вкусовых клетках выполняет канал, образованный коннексинами. Окончательную ясность в этот вопрос внесла группа зарубежных ученых. Они доказали, что АТФ на самом деле транспортируется недавно открытым потенциал-зависимым ионным каналом CALHM1 (CALcium Homeostasis Modulator 1), который просто похож на коннексины некоторыми свойствами [16]. Этот канал, присутствующий только в клетках II типа, оказался проницаемым для АТФ. Мыши с генетическим нокаутом гена, кодирующего CALHM1, теряли чувствительность к горькому, сладкому и умами [17]. Во вкусовых клетках II типа таких мышей сильно уменьшались потенциал-зависимые токи, а секреция АТФ вкусовыми почками снижалась.

Необычный механизм передачи информации на нервное окончание, реализуемый во вкусовых клетках II типа (в отсутствие цепочки «потенциал-зависимая активация кальциевых каналов — экзоцитоз синаптических пузырьков — высвобождение нейромедиатора»), заставил усомниться в роли потенциалов действия в афферентной нейропередаче. Обычно вторичные сенсорные клетки (непосредственно воспринимающие раздражение и затем передающие сигнал о нем на нервную клетку), не имеющие аксонов, не используют потенциалы действия для передачи информации и даже не способны их генерировать. Но вкусовые клетки II типа млекопитающих определенно генерируют потенциалы действия в ответ и на электрическое, и на пищевое воздействие. Зачем? Не исключено, что у потенциалов действия существует еще одна физиологическая функция — регуляция невезикулярного высвобождения нейромедиатора. Важное свойство секреции АТФ клетками этого типа — ее сильная зависимость от мембранного потенциала. Поэтому логично было предположить, что потенциалы действия управляют афферентной нейропередачей. Экспериментально мы установили, что при характерном для клеток II типа потенциале покоя от −55 до −40 мВ деполяризация до −45. −30 мВ, индуцируемая активацией канала TRPM5, не вызывает высвобождение АТФ. Но когда она сопровождается генерацией потенциалов действия, частота или количество которых пропорциональны ее величине, уровень секретированного ATФ оказывается пропорциональным интенсивности вкусового сигнала. Это обеспечивает адекватное кодирование сенсорной информации. За счет резкой зависимости количества ATФ от потенциала фактически происходит квантовый (т. е. унифицированный по кинетике и величине) выброс ATФ через неселективные ионные каналы в ответ на каждый потенциал действия.

Мы дополнительно доказали участие потенциалов действия в высвобождении ATФ клетками II типа и другим способом, — вызывая его кратковременными деполяризационными импульсами, сопоставимыми по длительности с потенциалами действия [11]. По результатам работ японских авторов, блокатор натриевых каналов тетродотоксин вызывает заметное снижение уровня АТФ, выбрасываемого в ответ на стимуляцию вкусовых клеток горькими веществами [18]. Количество АТФ при этом пропорционально числу сгенерированных потенциалов действия.

Рис. 6. Гипотетическая последовательность событий при рецепции вкусовых веществ клетками II типа. Вкусовые молекулы связываются с рецепторами, находящимися в апикальной части клетки. Это последовательно приводит к активации G-белков, фосфолипазы С β2 (PLC β2) и к мобилизации внутриклеточного кальция, благодаря которому открывается кальций-зависимый ионный канал TRPM5, что вызывает осцилляционную деполяризацию мембраны и генерацию серии потенциалов действия. Это стимулирует потенциал-зависимые (ПЗ) ионные каналы CALHM1, проницаемые для АТФ, и ведет к его высвобождению. Он активирует рецепторы P2X афферентных нервных окончаний, а генерация серии потенциалов действия позволяет закодировать информацию об интенсивности вкусового воздействия. Вкусовая клетка I типа гидролизует АТФ, высвобождаемый на нервное окончание, с помощью эктоапиразы NTPD-ase2. Кроме того, внешний АТФ приводит к мобилизации внутриклеточного кальция в клетке I типа при участии метаботропных P2Y-рецепторов и фосфоинозитидного каскада, включающего фосфолипазу С (PLC), инозитолтрифосфат (IP₃) и диацилглицерол (DAG). Стимулируется также и кальций-активируемый анионный канал

Многие, несомненно, задаются вопросом: зачем изучать механизмы вкусового восприятия? Действительно ли нам необходимо знать, какие клетки и как в нем участвуют? Оказывается, значительное число людей страдает расстройством вкуса. У большинства оно развивается после травмы головы или инфекции верхних дыхательных путей и среднего уха; после лучевой терапии (при лечении онкологических заболеваний головы и шеи); в результате действия определенных химикатов (инсектицидов и некоторых лекарств, включая антибиотики и антигистаминные средства) и как последствие некоторых видов хирургии уха, носа и горла. Опасны ли расстройства вкуса? Да, так как они ослабляют или вовсе устраняют врожденную систему предупреждения об испорченной пище, а иногда и об аллергенах. При ухудшении чувства вкуса мы можем начать есть слишком мало / много и терять / набирать вес. Потеря вкуса может вынудить нас употреблять чрезмерные количества сахара или соли, чтобы улучшить вкус пищи, а для людей с сахарным диабетом или высоким кровяным давлением это очень рискованно. В тяжелых случаях потеря вкуса может даже привести к депрессии. Поэтому знания о механизмах его восприятия необходимы для изучения причин, приводящих к отклонениям, и поиска способов их коррекции. А это — важная научная и медицинская задача.

Литература
1. Благутина В. В. Анатомия вкуса // Химия и жизнь. 2010. № 10. C. 34–38.
2. Lindemann B. Receptors and transduction in taste // Nature. 2001. V. 413. P. 219–225.
3. Margolskee R. F. Molecular mechanisms of bitter and sweet taste transduction // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 1–4.
4. Zhang Y., Hoon M. A., Chandrashekar J. et al. Coding of sweet, bitter, and umami tastes, different receptor cells sharing similar signaling pathways // Cell. 2003. V. 112. P. 293–301.
5. Huang A. L., Chen X., Hoon M. A. et al. The cells and logic for mammalian sour taste detection // Nature. 2006. V. 442. P. 934–938.
6. Bartel D. L., Sullivan S. L., Lavoie E. G. et al. Nucleoside triphosphate diphosphohydrolase-2 is the Ecto-ATPase of type I cells in taste buds // J. Comp. Neurol. 2006. V. 497. P. 1–12.
7. Lawton D. M., Furness D. N., Lindemann B. et al. Localization of the glutamate-aspartate transporter, GLAST, in rat taste buds // Eur. J. Neurosci. 2000. V. 12. P. 3163–3671.
8. Ralevic V., Burnstock G. Receptors for purines and pyrimidines // Pharmacol. Rev. 1998. V. 50. P. 413–492.
9. Finger T. E., Danilova V., Barrows J. et al. ATP signaling is crucial for communication from taste buds to gustatory nerves // Science. 2005. V. 310. P. 1495–1499.
10. Romanov R. A., Kolesnikov S. S. Electrophysiologicaly identified subpopulations of taste bud cells // Neurosci. Lett. 2006. V. 395. P. 249–254.
11. Romanov R. A., Rogachevskaja O. A., Bystrova M. F. et al. Afferent neurotransmission mediated by hemichannels in mammalian taste cells // EMBO J. 2007. V. 26. P. 657–667.
12. Bystrova M. F., Romanov R. A., Rogachevskaya O. A. et al. Functional expression of the extracellular calcium-sensing receptor in mouse taste cells // J. Cell Sci. 2010. V. 123. P. 972–982.
13. Lazarowski E. R., Boucher R. C., Harden T. K. Mechanisms of release of nucleotides and integration of their action as P2X- and P2Y-receptor activating molecules // Mol. Pharmacol. 2003. V. 64. P. 785–795.
14. Romanov R. A., Bystrova M. F., Rogachevskaya O. A. et al. The ATP permeability of pannexin 1 channels in a heterologous system and in mammalian taste cells is dispensable // J. Cell Sci. 2012. V. 125. P. 5514–5523.
15. Romanov R. A., Rogachevskaja O. A., Khokhlov A. A. et al. Voltage-dependence of ATP secretion in mammalian taste cells // J. Gen. Physiol. 2008. V. 132. P. 731–744.
16. Siebert A. P., Ma Z., Grevet J. D. et al. Structural and functional similarities of calcium homeostasis modulator 1 (CALHM1) ion channel with connexins, pannexins, and innexins // J. Biol. Chem. 2013. V. 288. P. 6140–6153.
17. Taruno A., Vingtdeux V., Ohmoto M. et al. CALHM1 ion channel mediates purinergic neurotransmission of sweet, bitter and umami tastes // Nature. 2013. V. 495. P. 223–226.
18. Murata Y., Yasuo T., Yoshida R. et al. Action potential-enhanced ATP release from taste cells through hemichannels // J. Neurophysiol. 2010. V. 104. P. 896–901.

Источник