Luktesansen

Odoranter

Substanser som stimulerer sansecellene i lukteepitelet kalles odoranter. Som regel er dette små organiske molekyler (MW 2 – 300) (1). Vannløselige odoranter må være til stede i høy konsentrasjon for å fremkalle luktrespons; f.eks. er terskelen for å lukte etanol 2 × 10 − ³ M. Fettløselige odoranter kan detekteres i svært lave konsentrasjoner; f.eks. er terskelkonsentrasjonen for å kjenne fiolduft (betaionone) så lav som 3 × 10 − ¹¹ M (1). Mange distinkte lukter, f.eks. kaffeduft, består av mange odoranter som er til stede i forskjellige konsentrasjoner.

Feromoner

Feromoner regulerer sosiale interaksjoner og reproduksjon hos mange pattedyr. Termen feromon ble introdusert av Karlson & Lüscher i 1959 for å definere luktsubstanser som utskilles av et individ og som fremkaller en spesifikk reaksjon hos individer av samme art (2). Eksempler på slike reaksjoner er atferdsendringer, utviklingsmessige prosesser (pubertet) eller fysiologiske prosesser (hormonsekresjon) (3). Feromoner er til stede i urin, svette og andre kroppssekreter (4). Flere feromonkandidater hos pattedyr er steroidderivater og har likheter med fettløselige odoranter. Det er imidlertid også holdepunkter for at større proteinmolekyler, som ikke er luftbårne, kan ha feromonfunksjon (5). Feromoner kan gi informasjon om posisjon i rangorden og kjønn og reproduktiv tilstand til andre av samme art.

Lukteepitelet

Lukteepitelet er et spesialisert område på ca. 10 cm ² øverst i nesehulen (fig 1). Lukteepitelet består av reseptorceller, støtteceller og basalceller. Reseptorcellene er bipolare nerveceller som sender et ca. 1 cm langt akson gjennom silbeinet inn til luktelappen (1. hjernenerve) (fig 2). Sansecellene har en apikal dendritt med stereocilier som bader i neseslimet. Ciliene inneholder G-proteinkoblede reseptormolekyler (1). Binding av et luktmolekyl til en luktreseptor utløser G-proteinaktivert endring av ionekanaler i membranen slik at det utløses nerveimpulser i aksonet (fig 3). I 1991 oppdaget Linda Buck & Richard Axel at luktreseptorer kodes av en genfamilie som viste seg å inneholde over 1 000 medlemmer (6). Det er nå holdepunkter for at en sansecelle uttrykker bare ett av disse genene (1). Siden det er omkring ti millioner sanseceller i lukteepitelet hos mennesket, betyr det at ca. 10 000 sanseceller uttrykker samme luktreseptor.

Figur 1   Lukteepitelet er et område på ca. 10 cm ² lokalisert øverst i nesehulen. Luktelappen ligger på undersiden av frontallappen. Viktige hjernestrukturer for luktesansen er primær luktebark i pyriform cortex og etorhinal cortex og hippocampus medialt i tinninglappen samt amygdala, thalamus og hypothalamus (1)

Figur 2   Figuren viser forbindelsen mellom lukteepitelet (øverst i nesehulen) og luktelappen. Aksonene (n. olfactorius, 1. hjernenerve) fra sansecellene (luktreseptorcellene) penetrerer silbeinet og danner synapse med nevroner i luktelappen (1)

Figur 3   Hvordan et luktmolekyl aktiverer et nevron i lukteepitelet. Luktmolekylet (odoranten) binder seg til luktreseptoren, som er G-proteinkoblet. Dette fører til G-proteinaktivering og aktivering av cAMP- eller IP3-systemet (som her) og budbringermolekylstyrte (second messenger-styrte) ionekanaler. De derpå følgende ionestrømmene forårsaker en membrandepolarisering (generatorpotensial) som utløser aksjonspotensialer i sansecelleaksonet (1)

Fysiologiske forsøk har vist at en odorant kan binde seg til flere enn én reseptortype (fig 4) (7). Reseptorceller som utrykker samme luktreseptor, ligger relativt spredt i lukteepitelet (1). Alle aksonene fra celler med samme reseptor konvergerer imidlertid når de har vokst inn i luktelappene og danner der et lite nøste (glomerulus) hvor de lager synapse med nervecellene i luktelappen (fig 5, 6) (8, 9). I luktelappen er det dermed mer enn 1 000 slike glomeruli.

Figur 4   Figuren gir eksempler på luktesystemets kombinatoriske muligheter. Som illustrert i venstre kolonne på tegningen, kan antakelig hver odorant inneholde flere ”epitoper” som passer med ulike reseptorer. Det kan forklare observasjoner som tyder på at både odorantene og reseptormolekylene er ”promiskuøse”; hver odorant kan være ligand til flere luktreseptorer, og en luktreseptor kan binde flere ulike odoranter. I denne modellen er reseptorene fargekodet ut fra hvilket luktepitop de gjenkjenner. Identiteten til en odorant er reflektert i hvilket utvalg av reseptorceller som blir aktivert (7)

Figur 5   a) Aksonene fra reseptorceller av en bestemt type konvergerer til en felles glomerulus i luktlappen. På tegningen representerer de tre fargene blå, rød og fiolett tre ulike luktresptorer (1). b) Fotografi av de blå nervefibrene som konvergerer til en felles glomerulus fra luktelappen til en genmodifisert mus (ett luktreseptorgen er med molekylær teknikk koblet til et reportergen som forårsaker blå farge i nervefibrene fra sansecellene som uttrykker den spesielle ”blå” luktreseptoren) (18)

Som annet epitel fornyes lukteepitelet (inkludert sansecellene) fra basalcellene. Dette er den eneste delen av nervesystemet som vi med sikkerhet kan si regenereres kontinuerlig. Dette reiser spørsmålet om hvordan aksonene fra nydannede reseptorceller kan finne frem til sin korresponderende glomerulus i hjernen. Kanskje bruker de luktreseptorene til å finne veien (10).

Nesekjertler

Sekret fra spesialiserte kjertler er viktige for luktesansens funksjon. Siden mange av odorantene er hydrofobe er det nødvendig med bærerproteiner som transporterer dem gjennom neseslimet til reseptorcellene. Kjertelsekretet inneholder slike bærerproteiner. Noen av dem er homologe med plasmaproteiner (f.eks. alfa 2-mikroglobulin) som transporterer steroidhormoner og andre små hydrofobe molekyler (11). Utførselsgangene fra nesekjertlene er lokalisert slik at det kan dannes aerosoler ved rask innpust (f.eks. når en hund snuser). Ved aeresoldanning fasiliteres binding av hydrofobe odoranter til bærerproteiner (11).

Sentrale forbindelser

Etter at nervefibrene fra sansecellene i lukteepitelet har dannet synapse i luktelappen, sendes informasjon til primær olfaktorisk hjernebark i tinninglappen og til amygdala. Fra olfaktorisk hjernebark går det forbindelser til etorhinal hjernebark, hippocampus, thalamus og hypothalamus. Luktinformasjonen distribueres dermed til ulike hjerneregioner hvor den påvirker kognitive og emosjonelle funksjoner (1).

Det vomeronasale organ (Jacobsons organ)

Den danske kirurgen Ludvig Levin Jacobson (1783 – 1843) beskrev det vomeronasale organet i 1811 og regnes som organets oppdager (12). Det vomeronasale organ er en bilateral tubeformet kanal lokalisert i fremre del av neseskilleveggen (fig 6). Fortil åpner tuben seg gjennom en kanal ut i nesehulen og baktil ender den blindt (13, 14). Den er hos pattedyr omgitt av en beinet eller brusket kapsel. Organet er dermed atskilt fra luftstrømmen som passerer nesehulen ved normal respirasjon. Hos mange dyr trer organet i funksjon ved at en vaskulær pumpe trekker nesesekret inn i kanalen, samtidig sees en spesiell grimasering som kalles flehmen (15). Den mediale, konkave siden av lumen i det vomeronasale organ er kledd innvendig med et pseudolagdelt epitel som differensieres til reseptorceller (nevroner), støtteceller og basalceller. Reseptorcellene har mikrovilli apikalt, i motsetning til luktreseptorcellene som har cilier (9, 13, 14).

Figur 6   Parasagittalsnitt gjennom skallen på en gnager. Nevroner fra lukteepitelet (MOE, mørkeblått) sender aksonene sine til luktelappen (OB, lyseblå). De to undergruppene av sensoriske nevroner i det vomeronasale organ (VNO, mørkerøde og mørkegrønne) antas å projisere til henholdsvis fremre (lyserøde) og bakre (lysegrønne) halvdeler av den aksessoriske luktelappen (AOB) (9)

To genfamilier for vomeronasale reseptorer

Nylig ble det oppdaget to nye genfamilier av G-proteinkoblede reseptorer, henholdsvis V1R og V2R, som begge uttrykkes i antatte sanseceller i det vomeronasale organet i mus. Begge genfamiliene inneholder 50 – 100 gener (9, 16). V1R-reseptoren har relativt kort NH2-terminal ende. V2R-reseptoren har lang NH2-terminal ende og er koblet til et annet G-protein. Eksperimentelle undersøkelser indikerer at V1R-reseptorene aktiviseres av små fettløselige feromoner og at V2R-reseptorene er spesialisert til å binde ikke-flyktige feromoner av proteinnatur (17). Selv om de tre reseptorfamiliene i lukteepitelet og det vomeronasale organ tilhører den G-proteinkoblede superfamilien er de ikke nær beslektet med hverandre. Aksoner fra V1R i det vomeronasale organet konvergerer på relativt få glomeruli, 10 – 30, i den aksessoriske luktelappen (18). Det ser dermed ut til at glomeruli i den aksessoriske luktelappen mottar aksoner fra sanseceller med ulike reseptorer.

Sentrale forbindelser

Aksonene fra vomeronasale reseptorceller går til den aksessoriske luktelappen i bakre del av luktelappen (4) (fig 6). Fra den aksessoriske luktelappen er det ikke påvist forbindelser med høyere kognitive sentre (4). Fibrene går fra den aksessoriske luktelappen til mediale amygdala og venteromedial hypothalamus (4). Via disse strukturene påvirkes aggresjonsnivå og reproduktiv atferd. Stimulering av det vomeronasale organ utløser nevroendokrine responser og instinktiv atferd (parring, territorial aggresjon) (4), som i liten grad kan modifiseres av erfaring.

Hvilken funksjon har det vomeronasale organ?

De fleste pattedyr bruker feromoner til å koordinere reproduksjon. Dette er vist gjennom en rekke forsøk på gnagere, og det er også blitt dokumentert hos sau, ku og gris (19). Hos gnagere kan feromonresponser for eksempel være paringsatferd, aggressiv atferd hos hanner eller diende hunner overfor inntrengende hanner, inhibisjon av østrogensyklus og abort (20). Det vomeronasale organ spiller en hovedrolle i å registrere feromonsignaler, men er ikke alene om dette. Et eksempel er gris hvor sanseceller i lukteepitelet aktiveres av det potente feromonet androstenon (21). Dette kan bety at det ikke er nødvendig å ha et vomeronasalt organ for å respondere på feromoner. Hos mennesket er det nylig vist at VR1-reseptorer er uttrykt i lukteepitelet (22). Lukteepitelet har heller ikke monopol på odorantdeteksjon. Enkelte odoranter kan også utløse respons i reseptorceller i det vomeronasale organ (3).

I 1970-årene ble det for første gang vist at det vomeronasale organ kunne mediere en fysiologisk respons hos pattedyr. Eliminasjon av organet hos hannhamster førte til svekket paringsevne, men ikke til fullstendig tap av funksjonen (3). Vi vet nå at afrodisin, et protein med feromonfunksjon fra hamstervagina, utløser seksuell atferd hos hannen gjennom aktivering av det vomeronasale organ (23). Det er uklart om proteinet fungerer som bærermolekyl for små fettløselige feromoner eller om det har en direkte effekt. Eksperimentelle undersøkelser i rotte har vist at eksponering for vanlige odoranter (f.eks. sitronlukt) samtidig med feromonstimulering, betinger responsen på odoranten slik at den senere til en viss grad kan erstatte feromonet (24). Dette kan forklare hvorfor ødeleggelse av det vomeronasale organet gir størst reduksjon av paringsevnen hos seksuelt uerfarne hanner. Det er fristende å spekulere på om det er tilsvarende læringseffekter av parfymeeksponering i vår art.

Det har vist seg at lesjoner av det vomeronasale organ hos hanngnagere svekker reproduktiv atferd overfor hunner og aggressiv respons på hanner som invaderer reviret (25). Aktivering av det vomeronasale organ hos hunngnagere gjør dem mer reseptive for hannens paringsforsøk (25). Vellykket paring gjør at hunnen husker hannens duftsignatur. Dette luktminnet forhindrer abort hvis hun treffer den samme hannen senere. Hvis hun treffer en hann med en annen duftsignatur, vil det være stor risiko for abort (24). Feromoner i museurin kan påvirke tempoet i pubertetsutvikling hos mus. Denne effekten forsvinner etter ødeleggelse av det vomeronasale organ (17). Feromonavhengig pubertetsakselerasjon er også til stede hos gris, sau og ku (4).

Holdepunkter for fysiologiske feromoneffekter hos mennesket

Det er et velkjent fenomen at kvinner som bor tett sammen, ofte har synkronisert menstruasjonssyklus. McClintock beskrev dette fenomenet allerede i 1971 (26). I 1998 rapporterte Stern & McClintock i Nature (27) at ekstrakter fra armhulesekret fra kvinner som var i sen follikulær fase i menstruasjonssyklus utløste frisetting av lutiniserende hormon fra hypofysen og induserte dermed eggløsning når de ble applisert på overleppen til preovulatoriske kvinner. Når armhulesekret ble tatt fra de samme donorkvinnene ved eggløsning, gav dette motsatt effekt. De eksponerte preovulatoriske kvinnene fikk nå forsinket frisetting av luteiniserende hormon fra hypofysen og dermed forsinket eggløsning. Kvinnene hadde ingen bevisst luktopplevelse av substansene som de ble eksponert for. Det er også holdepunkter for at feromonsignaler fra menn kan påvirke frekvensen av eggløsning. Kvinner som tilbrakte minst to netter med menn (uavhengig av samleie) i en periode på 40 dager hadde en signifikant høyere forekomst av eggløsning enn de som tilbrakte ingen eller en natt (28). Det kan imidlertid ikke utelukkes at psykologiske faktorer kan være en del av forklaringen i slike undersøkelser.

I en undersøkelse fra 1991 (29) ble studenter av begge kjønn eksponert for to ulike substanser om natten. Det ene stoffet var androstenol, som finnes i aksillærsvette, særlig hos menn. Substansen er et aktivt feromon hos gris og muligens hos mennesket. Den andre substansen var en blanding av korte fettsyrer som finnes i vaginalsekret og som fremkaller seksuell interesse hos hannaper. Dagen etter skulle studentene holde regnskap med alle samtalene de hadde med andre. Kvinner som var blitt eksponert for androstenol tilbrakte mer tid sammen med menn i forhold til kontrollgruppen. Verken eksponering av androstenol eller fettsyrer hadde noen signifikant effekt på menn. Heller ikke kvinners interaksjon med kvinner ble påvirket av stoffene.

Har mennesket et vomeronasalt organ?

Organet skal første gang ha blitt påvist hos mennesket av den nederlandske kirurgen Ruysch i 1703 (30). Jacobson beskrev organet i 1811, men denne gang hos dyr (12). I 1891 ble det vomeronasale organ på nytt beskrevet hos mennesket (31). Det er nå enighet om at det vomeronasale organ er til stede tidlig i fosterlivet. Det er hevdet at det blir tilbakedannet i siste trimester (31). Men nyere studier kan tyde på at organet vokser etter fødselen (32).

Det vomeronasale organ er imidlertid en dårlig definert struktur hos mennesket. Avhengig av undersøkelsesmetode er organet funnet hos 6 – 100 % av forsøkspersonene (32 – 35). Organet kan sees ved fremre rhinoskopi, men er betydelig lettere å identifisere med endoskopisk teknikk (fig 7) (34). Åpningen til det vomeronasale organ sitter på fremre tredel av neseskilleveggen 1 – 2 cm bak neseåpningen og 0,5 – 1,0 cm over gulvet i nesehulen. Fra denne åpningen går det en kanal som strekker seg ca. 5 mm bakover og ender blindt (34). Organet er ikke omsluttet av en beinet eller brusket kapsel i vår art (31). Mikroskopisk undersøkelse av det humane vomeronasale organ viser et pseudolagdelt epitel med mikrovilli (lukteepitelet har cilier). Epitelet består av tre celletyper: lyse celler, mørke celler og basalceller (34). Det spekuleres på om de lyse cellene er reseptorceller, men hos mennesket mangler det bevis på dette (34, 35). Det mangler også anatomiske studier som gir sikre holdepunkter for en nervøs forbindelse fra det vomeronasale organ til hjernen. Det er heller ikke påvist noen aksessorisk luktelapp hos mennesket. Man har antatt at den aksessoriske luktelapp er tilbakedannet, men i senere år har det vært spekulert på om strukturen hos mennesket har en litt annen lokalisasjon enn hos andre arter (31).

Figur 7   Endoskopisk bilde av vomeronasale groper på høyre side hos et voksent menneske. Det er brukt metylenblått som farger den omgivende neseslimhinnen, S = neseskilleveggen, T = nederste nesemusling (34)

Funksjonelle undersøkelser av det humane vomeronasale organ

Mennesket er mindre styrt av instinkter enn gnagere. Keverne skrev i Science i 1999 at han betvilte eksistensen av et funksjonelt vomeronasalt organ hos mennesket (38). Han påpekte at det så langt bare var identifisert pseudogener (ikke-funksjonelle gener) som koder for vomeronasale reseptorer i vår art, og at det heller ikke var vist at vi har en aksessorisk luktelapp. Ut fra disse årsakene fant Keverne det usannsynlig at feromoner har en viktig rolle i regulering av human atferd (38). Selv om det som nevnt over nylig er funnet uttrykk av V1R-gener i humant lukteepitel (22), gjenstår det å vise at feromoner er en viktig faktor i regulering av human atferd.

Det er flere forsøk som tyder på at luftbårne kjønnshormonderivater kan gi feromonliknende effekter på mennesker. I 1991 rapporterte Monti-Bloch og medarbeidere at stimulering av det humane vomeronasale organ med meget lave konsentrasjoner av slike substanser gav lokal elektrofysiologisk respons i form av depolarisering i det vomeronasale epitelet (36). De samme substansene gav bare liten respons fra lukteepitelet og ingen respons fra neseslimhinne kledd av respiratorisk epitel. Monti-Bloch har gitt slike substanser navnet vomeroferiner. Flere av vomeroferinene han undersøkte virker selektivt og kjønnsspesifikt på det vomeronasale organ. Han fant f.eks. at østra-1,3,5(10), 16-tetraen-3yl fra aksillekjertler fra kvinner gav lokal depolarisering i det vomeronasale organ, særlig hos menn. I kontrollforsøk fant han at stimulering av lukteepitelet med odorantene 1,8-cineole og 1-carvone gav lokal depolarisering av lukteepitelet, men liten eller ingen respons fra vomeronasalt epitel. I tilsvarende forsøk med en annen substans (pregna-4,20-diene-3,6-dione) fant han hos menn (men ikke hos kvinner) konsentrasjonsavhengig depolarisering av det vomeronasale epitelet, redusert respirasjonsfrekvens, økt hjertefrekvens, økt alfa-beta-ratio på EEG, økt ledningsevne i huden og signifikant senket nivå av FSH, LH og testosteron i perifert blod. Disse resultatene mente han tydet på at kjønnsspesifikke feromoner regulerer human hypofysefunksjon ved å aktivere det vomeronasale organ. En funksjonell MR-undersøkelse av menn som ble eksponert for lave konsentrasjoner (10 − ⁸ M) av vomeroferinet østra-1,3,5(10),16-tetraen3yl-acetat viste hjerneaktivering i fremre mediale thalamus og i nedre d

eler av frontallappen (37). Disse områdene er analoge med hjerneområder som responderer ved aktivering av det vomeronasale organ hos andre pattedyr. At forsøkspersonene ikke registrerte noen bevisst luktopplevelse under eksponeringen, taler mot at hjerneaktiveringen skyldtes psykologiske faktorer.

MHC-avhengig luktgjenkjennelse hos dyr

Molekylene som kodes av de svært polymorfe genene i ”major histocompatibility complex” (MHC-antigenene) har en sentral rolle i antigenpresentasjon. Mest mulig lik MHC-komposisjonen mellom donor og mottaker er avgjørende ved transplantasjon. Med unntak av eneggede tvillinger er MHC-komposisjonen til enkeltindivider unik. Når en hund urinerer på en lyktestolpe er det trolig ikke bare kjønn og artsspesifikk informasjon den etterlater, men et individspesifikt signal (analogt til et personnummer) som andre hunder kan gjenkjenne. Lewis Thomas reiste i 1974 spørsmål om hunder kunne ”sniff out our histocompatibility types” (39). Spørsmålet ble tatt alvorlig og dyreeksperimenter viste snart at evnen til å registrere forskjeller i MHC-komplekset ved hjelp av luktesansen, er meget høyt utviklet hos flere dyrearter. Det er nå klar dokumentasjon på at MHC-komposisjonen er assosiert med individspesifikk kroppslukt. Ville mus kan, uten trening, skille mellom luktene fra mus som bare skiller seg genetisk fra hverandre innen enkelte MHC-loci. Ved å lukte på urin kan en rotte skille mellom dyr som har identisk genmateriale med unntak av én base i MHC-komplekset (40). Studier viser at mus benytter denne individspesifikke kroppslukten til å utavle ; en hannmus foretrekker å pare seg med en hunnmus som har en annen MHC-haplotype enn dens egen. Kanskje kan dette beskytte mot innavl eller bidra til å sikre at avkommet får bedre immunfunksjon fordi det arver mest mulig heterozygote MHC-loci. En hypotese for hvordan MHC-komposisjonen gir individspesifikk kroppslukt er at løselige MHC-klasse 1-molekyler er vektor for odoranter fra blod til urin (og andre utsondringer) hvor luktene kan bli konsentrert. Fordi ul

ike MHC-molekyler har ulik odorantaffinitet, er det dermed mulig at odorantprofilen i urinen reflekterer MHC-komposisjonen. Det er mindre sannsynlig, men ikke utenkelig, at selve MHC-molekylene eller fragmenter av disse registreres av luktesansen. Det er dessuten slik at det store kromosomområdet som inneholder MHC-komplekset, også inneholder gener som koder for funksjonelle og ikke-funksjonelle luktreseptorer (41). Et stort antall studier indikerer altså at mus og andre gnagere gjenkjenner MHC-identitet ved lukt, men det er usikkert hva som luktes og om lukten er bestemt av klassiske, antigenpresenterende MHC-loci eller nær tilknyttede gener. Det er heller ikke klarlagt hvor sansecellene som formidler MHC-avhengig luktgjenkjennelse er lokalisert.

MHC-avhengig luktgjenkjennelse hos mennesket

Det er vist at forsøkspersoner også kan lukte forskjell på urin fra mus med ulik MHC-komposisjon. I likhet med mus utskiller mennesket løselige MHC-antigener i urin og andre sekreter (42). I en interessant, men omdiskutert, studie rapporterte Wedekind og medarbeidere MHC-avhengig partnervalg hos mennesket (43). Kvinnelige forsøkspersoner ble bedt om å gradere kroppslukter fra T-skjorter fra seks menn som attraktive eller mindre attraktive. Kvinnene foretrakk systematisk kroppslukten fra de mennene som de var mest forskjellig fra i MHC-komposisjon. Et annet funn var at kvinnene fant at de mest attraktive luktene minnet om kvinnenes kjærester eller tidligere kjærester. Dette funnet er kanskje ikke uventet, men Wedekind påpekte at dette indikerte at kvinnene må ha lagt vekt på MHC-komposisjon ved valg av partner. Han mener altså at luktpreferanser bidrar til å opprettholde MHC-polymorfismen i vår art. Nytten av en slik seleksjonsmekanisme ved partnervalg kunne som nevnt over være beskyttelse mot innavl eller bidra til å sikre at avkommet får bedre immunfunksjon. I tillegg er det for mennesket rapportert økt forekomst av fertilitetsproblemer hos par som deler mange alleler i MHC-regionen (43). Dels har disse parene lengre intervaller mellom fødsler, og dels har det vært vanskeligere å få til vellykket kunstig befruktning hos dem. I slike tilfeller er det dessuten økt risiko for spontan abort (43). Ved genotyping av 194 par rekruttert fra indianere i Sør-Amerika fant man imidlertid at MHC-variasjonen mellom partnerne var nær det man ville forvente ved tilfeldig partnervalg (44). Denne undersøkelsen taler altså imot at MHC har noen betydning for partnervalg i denne populasjonen.