Ο Γευσιτοπικός χάρτης των γευστικών ποιοτήτων στον εγκέφαλο των θηλαστικών Όνομα: Κωνσταντίνος Γαλανός Α.Μ.: 4969 Μάθημα: Βιοτεχνολογία Υπεύθυνη Καθ.: Μ. Φράγκου Ακ. Έτος: 2011-2012 Science Magazine, Vol. 333, 3 Sept. 2011
Υπάρχουν 5 κύριες γεύσεις, οι οποίες αναγνωρίζονται από ειδικούς γευστικούς αισθητήρες της γλώσσας: Γλυκό (Sweet) Πικρό (Bitter) Αλμυρό (Salty) Ξινό (Sour) Πικάντικο (Umami)
Το σχήμα «Ένα κύτταρο, μία γεύση» είναι το βασικό σημείο της οργάνωσης του γευστικού συστήματος των θηλαστικών και αποτελεί το βασικό μηχανισμό για την αναγνώριση της κάθε γεύσης. Υπάρχουν δηλαδή νευρικά κύτταρα υποδοχείς, εξειδικευμένα στην κάθε γεύση.
Γνωρίζουμε τον τρόπο με τον οποίο αντιπροσωπεύονται χημικά ερεθίσματα στον οσφρητικό, οπτικό και ακουστικό φλοιό. Πώς όμως αντιπροσωπεύονται τα γευστικά ερεθίσματα στον κύριο γευστικό φλοιό; Προσπάθησαν να παρατηρήσουν τη σύγχρονη δραστηριότητα πολλών νευρώνων κατά την ανταπόκρισή τους σε διάφορα γευστικά ερεθίσματα. Έτσι πίστευαν ότι θα καταλάβαιναν το πώς αντιπροσωπεύονται οι γεύσεις στον γευστικό φλοιό.
Χρησιμοποίησαν: Διφωτονικές απεικονιστικές μεθόδους με ασβέστιο, για να δουν τη δραστηριότητα των νευρώνων στο φλοιό Εξωκυτταρικά ηλεκτρόδια για να καταγράψουν ανταποκρίσεις σε γευστικά ερεθίσματα στην περιοχή των γεύσεων του θαλάμου Έναν ιό (AAV2/hull-GFP virus) ως ανιχνευτή για να οριοθετήσουν τις περιοχές προβολών των νευρώνων στον πρωτογενή γευστικό φλοιό Αποτελέσματα: Βρήκαν μια περιοχή έκτασης 2,5 mm2 που βρίσκεται 1 mm πάνω από το σημεό όπου διασταυρώνονται η μέση εγκαφαλική αρτηρία και η ρινική φλέβα.
Περιοχή του εγκεφάλου όπου έγιναν οι μελέτες και η οριοθέτησή της. MCA: Middle Cerebral Artery RV: Rhinal Vein Στεφανιαία τομή εγκεφάλου του ποντικού. Φαίνεται η περιοχή των θαλαμοφλοιωδών προβολών που σημάνθηκαν με τον ιό.
Ανταπόκριση ενός νευρώνα του θαλάμου, ευαίσθητου σε γλυκά ερεθίσματα. Βλέπουμε το χρόνο που διαρκεί το ερέθισμα σουκρόζης. Μετά την εντόπιση τέτοιων νευρώνων που απαντούν σε γευστικά ερεθίσματα, γειτονικά κύτταρα μολύνθηκαν με τον AAV2/hull-GFP ώστε να οριοθετηθεί ο γευστικός φλοιός.
Αρχικά οι ερευνητές εστίασαν τις μελέτες τους στην πικρή γεύση. Εντόπισαν μία συγκεκριμένη, τοπογραφικά ορισμένη περιοχή όπου πολλοί νευρώνες ανταποκρίνονταν σε πικρά ερεθίσματα με αύξηση της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης ασβεστίου. Bitter hotspot: 1mm ραχιαία της RV, 1mm οπίσθια της MCA. Ήταν η μοναδική περιοχή που ανταποκρινόταν σε πικρά ερεθίσματα. Αυτοί οι νευρώνες ερεθίζονταν μόνο από πικρά ερεθίσματα. Οι υποδοχείς T2Rs (bitter taste receptors) αναγνωρίζουν μια ευρεία ποικιλία πικρών γεύσεων.
Α: OGB φθορισμός μετά από ερεθισμό της γλώσσας με cycloheximide Β: Οι νευρώνες που ενεργοποιήθηκαν με πικρά ερθίσματα, συνεχίζουν να ανταποκρίνονται σε αυτά και τις επόμενες φορές C,D: Αντίθετα, οι ίδιοι νευρώνες δεν ερεθίζονται καθόλου με άλλες γεύσεις (π.χ. γλυκό, αλμυρό)
Νευρώνες που ανταποκρινονται επιλεκτικά στην πικρή γεύση.
Πείραμα Αφαίρεσαν έναν από τους υποδοχείς πικρού, τον T2R5, ο οποίος είναι υπεύθυνος και αναγκαίος για να αναγνωρίζει ένα μόνο πικρό ερέθισμα, την cycloheximide. Δημιούργησαν έτσι ένα T2R5-KO ποντίκι. Υπέθεσαν λοιπόν πως από ένα Τ2R5 knockout ποντίκι θα πρέπει να χαθεί οποιαδήποτε απάντηση σε cycloheximide και να διατηρηθούν οι ανταποκρίσεις στα υπόλοιπα πικρά ερεθίσματα.
Οι ανταποκρίσεις στο bitter hotspot εξαρτώνται από τη λειτουργία των αντίστοιχων υποδοχέων. Παρατηρούμε ότι πράγματι στο T2R5-KO: Έχει χαθεί η ανταπόκριση σε cycloheximide. Διατηρείται η ανταπόκριση σε κάποιο άλλο πικρό ερέθισμα. Ακόμα, βλέπουμε πως τόσο στα Control, όσο και στα Knockout ποντίκια, δεν υπάρχει καμία ανταπόκριση σε Acesulfame K, που είναι γλυκό ερέθισμα.
Θεώρησαν πως θα υπάρχει και μια αντίστοιχη περιοχή για το γλυκό. Πράγματι εντόπισαν το sweet hotspot 2,5 mm rostrodorsal του bitter hotspot. Αυτό αποδεικνύεται με: Συντονισμός νευρικών κυττάρων μόνο με γλυκές γεύσεις Η ίδια περιοχή ερεθιζόταν με ποικιλία γλυκών ερεθισμάτων Αυτό σταματούσε σε knockout ποντίκια για ανάλογους υποδοχείς Ήταν η μόνη περιοχή που ανταποκρινόταν σε γλυκά ερεθίσματα Οι δύο περιοχές είναι μεταξύ τους σαφώς διαχωρισμένες.
Βλέπουμε το bitter hotspot με κόκκινο, καθώς και το sweet hotspot με έντονο πράσινο. Στα σημειογράμματα φαίνεται πως το sweet hotspot ανταποκρίνεται μόνο σε γλυκά ερεθίσματα. Στα ιστογράμματα φαίνεται ο αριθμός των κυττάρων που απαντά σε περισσότερα από ένα, αλλά πάντα γλυκά ερεθίσματα.
Η πικάντικη γεύση (umami) έχει συσχετιστεί στους ανθρώπους με monosodium glutamate (MSG). Ερέθισαν τη γλώσσα με MSG και έψαξαν μια αντίστοιχη περιοχή την οποία και εντόπισαν. Η περιοχή αυτή ερεθιζόταν και με κάποια L-αμινοξέα.
Με κίτρινο χρώμα βλέπουμε το umami hotspot. Στα σημειογράμματα φαίνεται πως το umami hotspot ανταποκρίνεται μόνο σε πικάντικα ερεθίσματα. Στα ιστογράμματα φαίνεται ο αριθμός των κυττάρων που απαντά σε πικάντικα ερεθίσματα, καθώς και στο L-αμινοξύ της Ser.
Όσον αφορά την όξινη γεύση, δεν κατάφεραν να εντοπίσουν κάποια αντίστοιχη περιοχή. Πιθανόν, αυτό έγινε επειδή το hotspot της όξινης γεύσης ίσως βρίσκεται σε μια περιοχή αρκετά απομακρυσμένη από τις υπόλοιπες, και άρα όχι μέσα στα όρια του τμήματος του φλοιού που μελέτησαν.
Έτσι, επικεντρώθηκαν στην αλμυρή γεύση (αλάτι). Βρήκαν κάποιους νευρώνες οι οποίοι είναι ιδιαίτερα συντονισμένοι σε NaCl. Οι νευρώνες αυτοί που ερεθίζονταν με NaCl οριοθετουσαν μια αντίστοιχα συγκεκριμένη περιοχή, σαφώς διαχωρισμένη από τις υπόλοιπες. Αυτή την περιοχή του γευστικού φλοιού την ονόμασαν NaCl hotspot.
Βλέπουμε το NaCl hotspot με πορτοκαλί. Στα σημειογράμματα φαίνεται πως το NaCl hotspot ανταποκρίνεται μόνο σε αλμυρά ερεθίσματα. Στα ιστογράμματα φαίνεται ο αριθμός των κυττάρων που απαντά σε NaCl.
Συμπεράσματα Κάθε μία από τις πέντε βασικες γεύσεις αναγνωρίζεται από μία συγκεκριμένη κατηγορία υποδοχέων. Για κάθε γεύση υπάρχει στο φλοιό μια συγκεκριμένη περιοχή, διαχωρισμένη από τις υπόλοιπες σαφώς και με μεγάλη ακρίβεια. Δεν υπάρχουν δηλαδή ομαλές εναλαγές μεταξύ των περιοχών αυτών. Παρ όλα αυτά, οι περιοχές του γευστικού φλοιού που αντιπροσωπεύουν τις 5 γεύσεις αντιστοιχούν σε πολύ μικρό ποσοστό της συνολικής έκτασης του γευστικού φλοιού. Πέρα από τα hotspots, μόνο μεμωνομένοι νευρώνες έδειξαν να φθορίζουν με κάθε ερέθισμα.
Όσον αφορά τις περιοχές μεταξύ των hotspots: Μπορεί να χρησιμεύουν για μίξεις γεύσεων ή να ανταποκρίνονται σε πάνω από μιά γεύσεις ταυτόχρονα. Ίσως να ανταπορκίνονται όχι σε απλά γευστικά ερεθίσματα, αλλά σύνθετα.