Методы исследования обоняния: историческая справка и современные тенденции

Рис. 1. Обонятельный тракт (источник: www.pinterest.ca/deftenie/anat)

Рис. 2. Проводящие пути обонятельного анализатора (источник: laesus-de-liro.livejournal.com/219414.html?view=comments)

Рис. 3. Ольфактометры Цваардемакера (А), Элсберга (Б), Н.С. Мельниковой и Л.Б. Дайняк (1959) (В) [8]

Введение

Обонятельный анализатор – одна из древнейших сенсорных систем человеческого организма, обеспечивающих его взаимодействие с окружающим миром. Прослеживается неоспоримое сходство в строении органа обоняния от насекомых до млекопитающих. По степени развития органов обоняния и способности воспринимать запахи животные подразделяются на три категории: макросматики – обоняние – основной источник информации (пресмыкающиеся, большие млекопитающие), микросматики – свойственна сравнительно низкая обонятельная чувствительность (птицы, человек), аносматики – отсутствие обоняния (дельфин) [1].

У млекопитающих обоняние сохраняет важную роль в жизнедеятельности, у человека обонятельный анализатор отходит на второй план, уступив место зрительной и слуховой сенсорным системам. Несмотря на это, обширные связи обонятельных центров с различными структурами центральной нервной системы у человека обеспечивают важную роль обоняния в формировании ответной реакции организма на внешние стимулы: через таламус и медиальный пучок переднего мозга осуществляется связь с вегетативными центрами (вегетативные ядра языкоглоточного и блуждающего нервов, ядра ретикулярной формации ствола мозга), стимулируя слюноотделение. За счет связей с лимбической системой, в зависимости от воспринимаемого запаха, меняется настроение человека. Связь вомероназального органа через миндалину с гипоталамическими структурами обеспечивает формирование полового поведения в ответ на присутствие в окружающей среде различных феромонов (два типа мужских феромонов – 5-альфа-андрост-16-ен-3-он (MP1, андростенон) и 4,16-андростадиен-3-он (MP2, андростадиенон) и один тип женских феромонов – 1,3,5 (10), 16-эстратетраэль-3-ол (FP, эстратетраенол)).

Был проведен ряд исследований взаимосвязи между ольфакторными и визуальными (цвет, абстрактные символы, угловатость форм), вкусовыми (кислый, сладкий вкус), аудиальными (питч, тембр, приятность, тональность, яркость) и тактильными (мягкость) ощущениями. Затрагивая все системы восприятия, обоняние может претендовать на роль одного из «провокаторов» такого явления, как синестезия [2].

У человека обоняние приобрело и специфическое профессиональное значение. У некоторых людей работа связана напрямую с обонянием. Речь идет о дегустаторе, химике, товароведе, сомелье, поваре, титестере (специалист по чаю), ольфактронике (научный работник, изучающий запахи), парфюмере, кондитере.

Несмотря на некоторую второстепенную роль системы в жизнедеятельности человеческого индивида, у многих людей нарушение обоняния приводит к снижению социальной адаптации, психологическим последствиям, нарушениям в профессиональной деятельности. Различные виды обонятельной дисфункции служат маркерами (входят в структуру) различных ЛОР-заболеваний (острый, хронический и атрофический риниты, полипозный риносинусит, доброкачественные новообразования внутриносовых структур (инвертированная папиллома, мукоцеле и др.), эстезионейробластома, переломы решетчатой кости, ларингэктомия с канюленосительством), инфекционных (вирусы гриппа, коронавирус и др.) и неврологических (травмы головы, деменция, нейродегенеративные заболевания, инсульт, эпилепсия, супраселлярная менингиома, миастения) заболеваний. Существуют и другие причины (первичная цилиарная дискинезия, курение, дефицит цинка, гипотироидизм, идиопатическая аносмия, некоторые антибиотики, возраст) [3], связанные с поражением периферических либо центральных отделов обонятельного анализатора.

Перечисленные аспекты обусловливают интерес исследователей к обонятельному анализатору и огромную важность дальнейших исследований как с точки зрения методов коррекции нарушений обоняния, так и с точки зрения разработки методик ранней диагностики различных заболеваний, проявляющихся нарушением восприятия запахов.

Строение обонятельного анализатора

Анатомически обонятельный анализатор включает в себя три отдела:

• периферический отдел образован обонятельной выстилкой, покрывающей верхнюю и среднюю носовые раковины, а также часть носовой перегородки на площади в 2 см². В состав обонятельного эпителия входят горизонтальные базальные клетки, глобозные базальные клетки, опорные клетки (sustentacular cells), сенсорные нейроны и секреторные клетки боуменовых желез, секретирующие компоненты обонятельной слизи, покрывающей обонятельный эпителий (рис. 1). Обонятельные нейроны – это биполярно вытянутые клетки, от базальной части нейрона аксон проецируется в составе обонятельного нерва к гломерулам обонятельной луковицы, где происходит первичный процессинг обонятельной информации для ее дальнейшего анализа в сенсорной коре головного мозга [4]. Дополнительная обонятельная система – трубчатый вомероназальный орган (Якобсона). Вомероназальный орган в обонятельной системе предназначен для детекции феромонов – молекул, которые выделяются животными и служат сигналами, определяющими генетически запрограммированное социальное поведение представителей одного и того же вида, связанное с репродуктивной функцией, агрессией, защитой территории и социальным доминированием [4];
• проводниковый отдел – обонятельный нерв, представлен не единым стволом, а разобщенными периферическими нервными волокнами (около 20 пучков), проходящими через решетчатую пластинку и вступающими в гломерулярный слой обонятельной луковицы (рис. 2);
• центральный отдел – первая стадия анализа рецепторной информации происходит в обонятельной луковице, которая имеет многослойное строение, характерное для интеграционных центров головного мозга. В ней возбуждение от аксонов рецепторных клеток обонятельного эпителия через сложную систему синапсов переключается на периферические отростки митральных, пучковых и зернистых клеток глубоких слоев обонятельной луковицы. Центральные отростки этих клеток формируют обонятельный тракт, прилегающий снизу к орбитофронтальной коре лобных долей. Далее обонятельный путь делится на латеральную и медиальную обонятельные полоски. Волокна латеральной полоски направляются в препириформную область (миндалина, полулунная и охватывающая извилина), где происходит синаптическое переключение, и достигают первичных проекционных центров обонятельного анализатора в передней части парагиппокампальной извилины (поле 28 по Бродману). Волокна медиальной полоски направляются в ядра передней перегородки мозга. После синаптического переключения импульсы следуют в лимбическую систему противоположного полушария. Обонятельный путь – единственный путь, импульсы от которого достигают коры большого мозга, минуя зрительный бугор (рис. 2) [1–4].

Историческая справка

Проблемой определения природы запахов и обоняния интересовались еще древнегреческие философы начиная с V в. до н.э. На этом этапе исследования сводились больше к анализу философской стороны вопроса [5]. В дальнейшем ученые предпринимали различные попытки исследования обоняния. Некоторые ученые пытались систематизировать запахи. Например, К. Линней (1756) предложил разделять запахи на семь классов: ароматические, бальзамические амброзиальные, луковые, псиные, отталкивающие, тошнотворные. Г. Цваардемакер (1895) сформулировал свою систему, состоящую из девяти групп запахов: эфирные, ароматические, бальзамические, амбромускусные, чесночные, пригорелые, псиновые или коприловые, отталкивающие, тошнотворные. Совершенно иной подход применил Х. Хеннинг (1924), предложив классифицировать запахи не в отдельные группы, а в виде призмы, у которой в углах располагаются первичные запахи (гнилостный, фруктовый, прогорклый, смолистый, пряный, цветочный). Все остальные запахи располагаются на гранях либо ребрах призмы в зависимости от того, с какими из первичных запахов имеется сходство [6].

Только к концу XIX – началу XX в. наметились сдвиги в вопросе изучения функции обоняния и объективизации результатов исследований. Все применяемые методы подразделялись на качественные и количественные.

Качественные методы основаны на том, что исследуемому предъявляется некоторый набор одорантов. К носу пациента поочередно подносится каждая из емкостей, содержащих одорант, и предлагается принюхаться. Регистрируется наличие либо отсутствие обонятельного ощущения. Примерами качественных методов могут служить описанный Н.С. Благовещенской (1990) набор W. Bornstein (1929), состоящий из восьми пахучих веществ, расположенных в последовательности от самого слабого (1) до самого сильного (8): стиральное (хозяйственное) мыло, розовая вода, горько-миндальная вода, деготь, скипидар (указанные вещества действуют в основном на обонятельный нерв), нашатырный спирт, уксусная кислота (действуют на обонятельный и тройничный нервы), хлороформ (действует на обонятельный и языкоглоточный нервы) [7]. Применение пахучих веществ, обладающих дифференцированным эффектом на обонятельный, тройничный и языкоглоточные нервы, имеет определенное диагностическое значение: если полностью выключен обонятельный нерв, больной все же будет ощущать запахи, действующие на V и IX нервы, но в значительно ослабленном и искаженном виде. В свое время широкое распространение получил одориметрический набор В.И. Воячека (1925). В первоначальном варианте этот набор состоял из четырех нарастающих по силе пахучих веществ: 0,5%-ный раствор уксусной кислоты (слабый запах), чистый этанол (средней силы запах), валериановая настойка (сильный запах), нашатырный спирт (сверхсильный запах). Позднее к этому набору были добавлены бензин (для лиц технического состава, не знакомых с запахом валерианы) и дистиллированная вода (контроль) [8, 9]. Несмотря на то что метод Воячека был предложен в 1920-х гг., в России он широко распространен до сих пор и используется как скрининговый метод диагностики нарушений обоняния.

Количественное исследование обонятельной функции предполагает определение порогового значения концентрации одоранта, при котором возникает обонятельное ощущение. При этом определяются два параметра: порог восприятия и порог узнавания. Количественное исследование обоняния получило название ольфактометрии. Первые шаги по конструированию ольфактометров были сделаны еще в первой половине ХХ в. Классическими примерами могут служить ольфактометры Цваардемакера и Элсберга – Леви, H. Zwaardemaker, Элсберга. Принцип инжекторной подачи пахучих веществ был использован в ольфактометре Н.С. Мельниковой и Л.Б. Дайняк (рис. 3) [8]. Я.Б. Эпштейн предложил ольфактометр с семью отверстиями для марли различной толщины, которая содержала одорант [10]. П.И. Полянский и Ю.П. Фролов создали первый отечественный аппарат не только для исследования обоняния, но и для тренировок [11].

Современные тенденции

Уже к середине XX в. наметились сдвиги в исследовании механизмов обонятельного восприятия. Проведенные на рубеже 1950–60-х гг. фундаментальные исследования физиологического механизма обоняния показали, что процесс обонятельной рецепции происходит следующим образом. Молекула пахучего вещества растворяется в водно-жировой среде мембраны, покрывающей обонятельной рецептор, после чего происходит взаимодействие молекулы одоранта с окончаниями рецеторной клетки. По стереохимической теории Дж. Эймура и Р. Монкриффа (1964) запах вещества определяется формой и размером пахучей молекулы, которая по конфигурации подходит к рецепторному участку мембраны, как ключ к замку. Концепция рецепторных участков разного типа, взаимодействующих с конкретными молекулами одорантов, предлагает наличие рецептивных участков семи типов (по типам запахов: камфорные, эфирные, цветочные, мускусные, острые, мятные, гнилостные). Рецептивные участки плотно контактируют с молекулами одоранта, при этом изменяется заряд участка мембраны, в клетке возникает потенциал. По Эймуру, весь букет запахов создается сочетанием этих семи составляющих [12].

В апреле 1991 г. сотрудники Института им. Говарда Хьюза (Колумбийский университет) Ричард Аксель и Линда Бак выяснили, что строение рецепторных участков мембраны обонятельных клеток обусловлено генетически. У человека насчитывается от 500 до 750 генов, ответственных за обоняние. Таким образом, семейство генов для обонятельных рецепторов является наибольшим известным семейством генов человека. В зависимости от экспрессии генов обонятельных рецепторов на поверхности ольфакторной выстилки рецепторы образуют «пространственные карты запахов». В каждой из зон обонятельный рецептор может взаимодействовать со своей специфической молекулой. Присутствие пространственных зон экспрессии генов обонятельных рецепторов говорит о том, что сенсорная информация в обонятельном анализаторе группируется уже в периферическом отделе, до передачи в головной мозг [13, 14].

Важнейшей задачей, стоящей перед учеными, изучающими обонятельный анализатор, была объективизация получаемых данных, что позволило бы определить уровень поражения структур обонятельного анализатора (периферический, проводниковый, центральный). Первые попытки объективизации были предприняты с использованием методик регистрации электроэнцефалографии, пневмографии, различных рефлексов [15, 16]. С развитием технического прогресса и расширением возможностей различных диагностических методик (нейровизуализация, электроэнцефалография) открылись большие возможности для разработки методик объективной ольфактометрии. Одна из методик нейровизуализации включает позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и функциональную магнитно-резонансную томографию (МРТ). Недостатком ПЭТ является использование радиоактивных изотопов [17]. Уже проведены исследования по картированию зон головного мозга, вовлекаемых в процесс восприятия обонятельного раздражения с использованием функциональной МРТ [18, 19]. К методам объективной ольфактометрии относятся функциональная МРТ [20], обонятельные вызванные потенциалы, электроольфактография, биопсия обонятельного нейроэпителия [21].

Начавшаяся в 2019 г. пандемия новой коронавирусной инфекции COVID-19, в большинстве случаев протекающая с нарушением обоняния (до 90% случаев), вызвала новую волну активного интереса исследователей различных специальностей к проблемам диагностики и реабилитации нарушений обоняния. Среди средств лечения аносмий на данный момент активно используется лишь метод обонятельных тренировок. Понимание механизмов возникновения обонятельной дисфункции позволит в дальнейшем разработать методики по своевременной и эффективной реабилитации нарушений обоняния различной этиологии.