Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физиологические механизмы обонятельной рецепции млекопитающих и человека 10
1.1. Роль обонятельной рецепции в жизни млекопитающих и человека 10
1.2. Структурная организация обонятельного органа млекопитающих и человека 13
1.3. Механизмы обонятельной рецепции 21
1.4. Дефекты в обонянии. Аносмии и биологически значимые запахи для человека 25
1.5.Физиологические особенности обонятельной чувствительности млекопитающих и человека 30
Глава 2. Материалы и методы исследования 36
Глава 3. Исследование возрастных особенностей в обонятельной чувствительности к запаховым раздражителям различной природы у представителей мужского пола 39
3.1. Обонятельная чувствительность к андростенону у представителей мужского пола 39
3.2. Обонятельная чувствительность у представителей мужского пола к изовалериановой кислоте 47
3.3. Обонятельная чувствительность у представителей мужского пола к ванилину 3.4. Сопоставление обонятельной чувствительности половозрелых представителей мужского пола к использованным запаховым раздражителям 59
3.5. Особенности обонятельной чувствительности к запаховым раздражителям феромонального и неферомонального типа у представителей мужского пола 60
Глава 4. Исследование возрастных особенностей в обонятельной чувствительности к запаховым раздражителям различной природы у представительниц женского пола 65
4.1. Обонятельная чувствительность к андростенону у представительниц женского пола 65
4.2. Обонятельная чувствительность к изовалериановой кислоте у представительниц женского пола 73
4.3. Обонятельная чувствительность к ванилину у представительниц женского пола 79
4.4. Особенности обонятельной чувствительности к запаховым раздражителям феромонального и неферомонального типа у представительниц женского пола 85
Глава 5. Половые различия в обонятельной чувствительности к запахам феромонального типа у человека 88
5.1. Сравнительные исследования обонятельной чувствительности к АНД у мужчин и женщин 88
5.2. Сравнительные исследования обонятельной чувствительности к ИВК у мужчин и женщин 93
5.3. Сравнительные исследования обонятельной чувствительности к ВАН у мужчин и женщин 97
5.4. Сопоставление среднего уровня обонятельной чувствительности у представителей мужского и женского полов к использованным запаховым раздражителям 101
Заключение 104
Выводы 108
Литература
- Механизмы обонятельной рецепции
- Обонятельная чувствительность у представителей мужского пола к изовалериановой кислоте
- Обонятельная чувствительность к изовалериановой кислоте у представительниц женского пола
- Сравнительные исследования обонятельной чувствительности к ИВК у мужчин и женщин
Механизмы обонятельной рецепции
В организме млекопитающих существует тесная физиологическая взаимосвязь между обонятельной и репродуктивными системами. Запаховые стимулы (феромоны), выделяемые одними особями и воспринимаемые другими, вызывают у последних специфические поведенческие ответы и изменения в секреции половых гормонов (Новиков, 1988). Хемосенсорная коммуникация и отношения типа «феромоны - гормоны» важны и для человека (Jacob, McCHntock, 2000; Spencer et al., 2004). Последние исследования в данной области показали, что в социальной и видовой коммуникациях в человеческом обществе обонятельные сигналы играют значительную роль, причем восприятие этих сигналов очевидно находится под контролем генома, который определяет главный комплекс гистосовместимости. Полагают, что формирование групп социального выбора, возможно, находится под влиянием сходства в их HLA-A и HLA-B аллелях (Eggert et al., 1998; Jacob et al., 2002).
Рецепция феромонов осуществляется обонятельной системой. В зависимости от механизма действия различают два вида сигналов: рилизинг-феромоны, вызывающие немедленный ответ особи-реципиента, и праймер-феромоны, действующие в течении длительного периода времени. Праймер - феромоны оказывают значительное влияние на половое созревание, характер половых циклов, беременность, заботу о потомстве (Новиков, 1988). Принято считать, что рилизинг-феромоны (сигнальные) оказывают влияние на организм путем активации соответствующих отделов центральной нервной системы, тогда как праймер-феромоны способны также детерминировать нейроэндокринные и эндокринные изменения в организации (Balboni, Vannelli, 1981). Исключительно важную роль играют запаховые стимулы при выборе полового партнера. На примере золотистых хомячков и леммингов показано, что самки способны «предугадывать» будущий статус самца. Самцы, которые, как выяснилось, в будущем занимали подчиненное положение, предпочитались самками в диэструсе, а самцы, ставшие впоследствии доминантами, предпочитались самками в эструсе (White et al., 1984). Было установлено, что лабораторные мыши способны различать особей изогенных линий, то есть различающихся по одной паре генов. Следовательно, различия в запахе особей из этих линий определяются их генотипом (Соколов, Котенкова, 1985). Различия в запахе мочи у самок и самцов лабораторных крыс обнаруживаются уже в раннем возрасте. Запах мочи самцов в значительно большей степени, чем самок, стимулирует вылизывание самкой аногенитальной области у детенышей (Гирман, 1986).
Гораздо меньше известно об обратных связях и влиянии гормонов на состояние обонятельной системы. Однако, показано, что при инъекции стероидов у мужчин и у женщин может повышаться чувствительность к определенным запахам (Le Magnen, 1952). С другой стороны, половые гормоны контролируют развитие обонятельной системы в онтогенезе и ее функционирование у взрослых животных. Изменение гормонального фона в организме животного приводит к изменению обонятельной чувствительности, поведенческих реакций и влечет за собой изменения в функциональных характеристиках обонятельной системы (Гладышева, Троицкая, 1990). Наиболее быстрые колебания обонятельной чувствительности, связанные с циклической секрецией половых гормонов, были отмечены у самок мышей в течение астрального цикла (Schmidt et. al., 1982). При этом было показано в поведенческих экспериментах, что наиболее высокая чувствительность к запахам естественного происхождения наблюдается у мышей в проэструсе (Гладышева и др., 1992).
Существует предположение, что обонятельные рецепторы высоко специализированы к пахучим веществам, которые могут иметь определенное значение для поведения животных, и что рецепция этих веществ находится под контролем половых гормонов (Гладышева, Троицкая, 1985; Гладышева, 2005).
Многие подобные исследования в последнее время проводятся и на человеке. Полагают, что запахи играют в жизни человека, по-видимому, несравнимо большую роль, чем предполагалось. Запаховые стимулы могут воздействовать на поведение, они также важны в родственных отношениях. Показано, что новорожденные дети реагируют на запах своей матери более продолжительной реакцией ориентации (поворот головы), чем на запах чужой женщины (Marlier et al., 1998). Вскармливаемые грудью младенцы получают феромоноподобные вещества, по-видимому, через молоко матери, поэтому для них характерно формирование реакции предпочтения к запахам феромонального типа в постнатальный период. У тех младенцев, которые вскармливались искусственно, сохранялась только пренатальная память на запахи, в атмосфере которых они находились в матке (Spencer et al., 2004).
Проведены исследования, показавшие существование связи между обонятельными порогами к некоторым веществам и эмоциональными проявлениями у человека, которые осуществляются при участии лимбической системы (Chen, Haviland-Jones, 2000). Более эмоциональные люди демонстрируют более высокую обонятельную чувствительность (Pause et al., 1998).
Вопрос об обонятельной чувствительности человека и ее роли в социальных и внутривидовых отношениях в настоящее время является одним из важных направлений исследований в области обонятельной рецепции.
Обонятельная чувствительность у представителей мужского пола к изовалериановой кислоте
Периферический отдел обонятельной системы обладает высокой способностью к связыванию молекул пахучих веществ, особенно тех, которые являются биологически значимыми для данного вида животных. При этом эффективная концентрация этих веществ может быть ничтожно мала и составляет 10"9 -10"12 М.
За два последних десятилетия научные представления о структурной и функциональной организации обонятельного анализатора млекопитающих существенно обогатились. Наиболее значимым событием в области хемосенсорных наук стало открытие в 1991 году обширного семейства генов обонятельных рецепторов (Buck, Axel, 1991). Обонятельные рецепторы (ОР) по своей структурной организации, способности связываться с G-белками и активировать их были отнесены к суперсемейству семидоменных трансмембранных рецепторов, ассоциированных с G-белкам (Kratskin, 1995; Krautwurst et al., 1998; Buck, 2000; Kajiya et al., 2001). Обонятельные рецепторы локализованы в мембране волосков обонятельных сенсорных нейронов, погруженных в слой слизи. По всей видимости, связывание с пахучими веществами и активация ОР происходит согласно известным принципам взаимодействия лиганд-рецептор (Фесенко, Фесенко, 1977; Pelosi, 1996). Особенно впечатляет широта спектра ОР. В геноме мыши насчитывается около 1000 функциональных геномов OP (Young, Trask, 2002; Zhang, Firestein, 2002), у человека их около 350 (Glusman et al., 2001; Zozulya et al., 2001). В целом, у млекопитающих гены ОР составляют 3-5% от общего числа генов в организме, что делает суперсемейство генов обонятельных рецепторов одним из самых крупных. Значительная часть генов обонятельных рецепторов у млекопитающих не функциональна и представлена псевдогенами. У человека около 50% псевдогенов ОР, у мыши и крысы их меньше - около 20%. Доля псевдогенов нарастает в эволюционном ряду: грызуны - обезьяны - человек. Таким образом, изменение количества функциональных генов ОР, по-видимому, соответствует снижению роли обонятельного анализатора в жизненных процессах (Touhara, 2008). Существуют предположения о том, что переход генов ОР в псевдогены у человека - активно продолжающийся процесс. Анализ нескольких сотен геномов человека показал, что почти у каждого набор генов/псевдогенов обонятельных рецепторов индивидуален, что, в свою очередь, может быть сопоставлено с вариабельностью и в обонятельной чувствительности (Singh, 2001; Menashe et al., 2003, 2006; Willse et al., 2006).
Разработаны методы функциональной экспрессии отдельных генов обонятельных рецепторов в культуре клеток (Doty et al., 1995; Abaffy et al., 2006: Zhuang, Matsunami, 2007). В работе Келлера и коллег (Keller, Vosshall, 2004; Keller et al., 2007) были обнаружены вариации гена (одиночные нуклеотидные замены) обонятельного рецептора человека OR7D4, в некоторой мере ответственные за интенсивность и качество (приятный — неприятный) восприятия запахов АНД и андростадиенона пахучих веществ, претендующих на роль мужского полового феромона. In vitro OR7D4, экспрессированный в НапаЗА клетках, давал наиболее специфичный ответ на АНД и андростадиенон среди остальных 335 клонированных ОР. Причем наиболее часто встречающийся в популяции аллельный вариант RT OR7D4 селективно отвечал на стимуляцию обоими стероидами, тогда как другой аллельный вариант WM, отличающийся всего двумя аминокислотными заменами, не давал ответа ни на один из 66 протестированных запахов. Авторы показали, что гетерозиготные по гену OR7D4 RT/WM индивидуумы более чувствительны к АНД, чем индивидуумы, гомозиготные по аллели WM (WM/WM). В группе с генотипом RT/WM испытуемые чаще определяли запах АНД как неприятный, чем в группе испытуемых с WM/WM. Процент вариабельности в популяции, который объясняется генотипом OR7D4, оцененный при помощи непараметрического регрессионного анализа, составил 19% для интенсивности восприятия запаха и 39% для качественной характеристики. Таким образом, генотип OR7D4 был представлен как значимый генетический фактор, влияющий на чувствительность к АНД. Особенно стоит отметить, что эта работа явилась первым экспериментальным подтверждением о связи между генетическими вариантами ОР и проявлением специфической аносмии.
В параллель описанному выше исследованию можно поставить работу Menashe и коллег, посвященную генетическим детерминантам чувствительности к ИВК (Menashe et al., 2007). Однако здесь внимание исследователей было привлечено не к известным генам функциональных ОР, а к выделенной группе сегрегирующих псевдогенов, тех псевдогенов ОР, одиночные нуклеотидные мутации (SNP) в которых приводят к переходу в функциональное состояние. На данный момент этими же исследователями описано всего 66 таких псевдогенов ОР. Исследователи обнаружили статистически достоверную ассоциацию между присутствием нонсенсмутации в кодирующей области OR11H7P и порогами детекции ИВК.
Согласно наиболее распространенной гипотезе, именуемой «один нейрон - один рецептор», в одном обонятельном сенсорном нейроне экспрессируется только один молекулярный рецепторныи белок (Mombaerts, 2004). В обонятельном эпителии мыши и крысы были выделены, по крайней мере, четыре, определенные пространственные зоны, экспрессирующие различные наборы ОР. Первоначально предполагалось, что нейроны, экспрессирующие один тип обонятельных рецепторов, разбросаны случайным образом только в пределах одной из зон, формирующих полоски вдоль передне-задней оси носовой полости (Sicard, Holley, 1984; Firestein et. al., 1993; Sato et. al., 1994; Sullivan, Dryer, 1996). Позднее было показано, что такое пространственное разделение справедливо не для всех обонятельных рецепторов. Механизм формирования пространственных зон и их функциональная нагрузка не до конца выяснены (Zhao et al., 1998; Malnic et al., 1999; Abaffy et al., 2006). Несмотря на то, что количество функциональных обонятельных рецепторов велико, число запахов, которые могут детектироваться несравненно больше, что предполагает наличие в обонятельной системе комбинаторного кодирования, когда один рецептор способен распознавать несколько запахов, а одно пахучее вещество детектируется несколькими рецепторами. При помощи ряда современных методов была непосредственно показана активация рецепторных клеток, в которых экспрессируется определенный тип обонятельных молекулярных рецепторов, несколькими пахучими веществами (Margolis, 1999; Malnic et al., 1999; Touhara, 2002).
Обонятельная чувствительность к изовалериановой кислоте у представительниц женского пола
Соответственно при предъявлении АНД в концентрации 10" г/мл эта величина увеличивается до 3,53 баллов. Как уже показали исследования, по мере взросления большинство представителей мужского пола теряют способность чувствовать АНД, что естественно сопровождается и снижением общей чувствительности к этому пахучему веществу. Так, в период начала полового созревания (12 лет), происходит достоверное снижение среднего уровня обонятельной чувствительности: к действию АНД в концентрации 10"9 г/мл до 2,3 балла, а при предъявлении стимула в концентрации 10"6 г/мл до 2,6 балла. При действии АНД в концентрации 10"3 г/мл средний уровень обонятельной чувствительности составляет 2,73 балла. У представителей группы половозрелых мужчин (№8) средний уровень обонятельной чувствительности ко всем трем концентрациям АНД снижается почти в 3 раза по сравнению с тем, что наблюдалось у детей группы №1 в возрасте 3-х лет и составляет при предъявлении стимула в концентрации 10"9 г/мл - 1,1 балла, 10"6 г/мл - 1,49 балла и на 10"3 г/мл -1,6 балла, соответственно.
Был проведен анализ статистической значимости различий, которые были обнаружены в обонятельной чувствительности к АНД у исследуемых из различных возрастных групп (табл. 3). Как показали результаты, достоверно значимыми являются отличия в обонятельной чувствительности, которые были определены у мальчиков младшего дошкольного возраста (группа №1) и у подростков, вступающих в период пубертата (группа №5), а также у половозрелых мужчин (группа №8).
Таким образом, проведенные исследования показали, что у мальчиков до периода полового созревания наблюдается относительно высокая обонятельная чувствительность к АНД, которая по мере их взросления и достижения ими возраста пубертата и половой зрелости значительно снижается, а в ряде случаев пропадает совсем, сопровождаясь полной или частичной аносмией к этому пахучему веществу. Дополнительно было проведено оценивание обонятельной чувствительности у аносматиков к АНД к другим пахучим веществам. Эти результаты приведены в разделе «3.4. Сопоставление обонятельной чувствительности половозрелых представителей мужского пола к использованным запаховым раздражителям».
В исследованиях испытуемые во всех возрастных группах оценивали качество запахового ощущения при предъявляемом им АНД. Исключением, как уже указано выше, являлись маленькие дети, реакцию которых фиксировали на основании качества проявляемых ими эмоций. Как показали проведенные исследования, возраст у представителей мужского пола не влиял на определение качества запаха АНД. Среди представителей, которые различали запаховый стимул этого вещества, ответы относящиеся к категории «приятный» или «неприятный» запах при предъявлении им тестеров с АНД в концентрации 10"6 и 10 9г/мл, распределялись примерно в одной пропорции независимо от того, к какой возрастной группе они принадлежали. Как правило, количество испытуемых, определяющих данный запах как «запах пота или мочи» было в несколько раз ниже (от 7 до 11%), чем тех, кто идентифицировал его как цитрусовый, цветочный и тому подобное, т.е. как «приятный». В исследовании не учитывали ответы испытуемых на более высокую концентрацию АНД (10"3г/мл), т.к. известны данные о том, что интенсивный запах этого вещества может восприниматься системой тройничного нерва (Boyle et al., 2006).
Вторым запаховым веществом феромонального типа (см. обзор), использованным в качестве стимула, была ИВК. Известно также, что к этому пахучему веществу у человека также наблюдается аносмия, как и к АНД, обусловленная генетическими факторами (см. обзор). Однако исследования характера действия этого пахучего вещества на обонятельную чувствительность человека крайне малочисленны, и по сути дела, не описаны ни возрастные, ни половые особенности рецепции ИВК человеком.
Исследования обонятельной чувствительности к ИВК у представителей мужского пола показали, что количество субъектов -аносматиков к данному пахучему веществу в возрастных группах колеблется. Процент аносматиков к ИВК в концентрации 10"3 г/мл в младшем дошкольном возрасте составляет 21%, а к периоду пубертата их количество (рис. 4 а, группа №5) снижается до 15% и уже в половозрелом возрасте составляет всего 10%, т.е. число представителей мужского пола, способных идентифицировать ИВК, увеличивается с возрастом.
Таким же образом ситуация обстоит с реакцией на действие ИВК в концентрации 10 6 г/мл. В младшем возрасте количество аносматиков составляет 30% (рис. 4 б, группа №1), а в период пубертата их количество уменьшается до 20% и уже к половозрелому возрасту представителей снижается до 15%. a 100% :;8Q%;:
Соотношение между испытуемыми мужского пола (%) разных возрастных групп, обладающих (черный цвет) или не обладающих (белый цвет) чувствительностью к ИВК в концентрации 10"3г/мг (а); 10" г/мг (б); 10" г/мг (в). При использовании ИВК в более низкой концентрации 10"9 г/мл число аносматиков в младшей возрастной группе - 52% (рис. 4 в, группа №1), в период пубертата их количество составило 38%, а в группе половозрелых мужчин - 27% (рис. 4, группа №8).
Таким образом, процент субъектов, обладающих обонятельной чувствительностью к ИВК в концентрации 10"3г/мл у мальчиков в возрасте 3-х лет (группа №1), составляет 79%, а к периоду начала пубертата процент, чувствующих ИВК, возрастает до 85%) (рис. 4а, группа №5) и 90% мужчин половозрелого возраста хорошо чувствуют это пахучее вещество.
При использовании ИВК в более низких концентрациях (10"6 и 10"9 г/мл) были получены сходные результаты, с тем лишь отличием, что обонятельная чувствительность к ним присутствовала у значительно меньшего процента испытуемых во всех возрастных группах (рис. 46 и в). Таким образом, как показали испытания процент субъектов аносматиков к ИВК у половозрелых мужчин значительно ниже, чем у дошкольников.
Согласно результатам, приведенным в таблице 4, у мальчиков в возрасте 3-х лет, средний показатель уровня чувствительности к ИВК в концентрации 10"9 г/мл составляет 3 балла, к ИВК в 10"6 г/мл средний уровень чувствительности незначительно выше и равен 3,26 балла и при предъявлении концентрации 10"3 г/мл средний уровень чувствительности к ИВК увеличивается до 3,4 баллов.
Сравнительные исследования обонятельной чувствительности к ИВК у мужчин и женщин
За последнее время исследований, раскрывающих представление об обонятельной чувствительности представительниц женского пола к использованным в наших исследованиях запаховым раздражителям, было сделано намного меньше, чем для мужчин. В работах было показано более значимое влияние возраста на обонятельную чувствительность, чем влияние пола, причем указывают, что женщины сохраняют обоняние до более старшего возраста, чем мужчины (Doty et al.,1978). Ранее в исследованиях на женщинах было показано влияние мужского запаха на длительность менструальных циклов. Так, в одном из исследований женщины, которые были в компании мужчин 3 раза в неделю или неделю, как правило, имели более короткие циклы, чем те, которые проводили меньшее время с мужчинами (McClintock, 1971; Cutler et al., 1980). В последующих исследованиях было показано, что женщины, которые регулярно или еженедельно находятся с мужчинами, чаще показывали двухфазный овуляторный тип циклов, чем женщины, которые случайно имели контакты с мужчинами или не имели совсем (Cutler et al., 1985). Позже, в другом исследовании было показано изменение менструального цикла под действием подмышечных выделений мужчин и женщин (Cutler et al., 1986; Preti et al., 1986). Известно, что происходят изменения в обонятельной чувствительности у женщин в течение менструального цикла (Graham, McGrew, 1980; Quadagno et al., 1981; Cutler et al., 1985; Bromley, Doty, 2010). В экспериментах на мышах было показано, что на разных стадиях полового цикла у самок наблюдается изменение обонятельной чувствительности к воспринимаемым запахам. Было установлено, что в проэструсе чувствительность к запахам максимальна, тогда как в другие периоды цикла она снижается, достигая минимальных значений в период метэструса (Schmidt et. al., 1982; Wallis, 1989; Гладышева, Троицкая, Георгиева, 1992; Борякова и др., 2007). Для того чтобы нивелировать эти колебания в чувствительности были выбраны три возрастные группы в которых более ярко видна картина изменения в чувствительности к данным веществам.
Наши исследования по обонятельной чувствительности представительниц женского пола к запахам АНД и ИВК показали, что восприятие этих пахучих веществ увеличивается в ходе полового созревания. При последовательном изучении чувствительности к АНД у представительниц женского пола в разных возрастных группах было показано, что способность идентифицировать этот запаховый стимул у девочек, не достигших половозрелого возраста, значительно меньше, чем в возрастных группах, приближающихся к пубертату или у половозрелых женщин.
Иная ситуация обстоит с восприятием ИВК. Меньшее число девочек воспринимает этот раздражитель. Но к пубертату у девушек происходит рост обонятельной чувствительности к ИВК, и уже в половозрелом возрасте число представительниц, чувствительных к ИВК, увеличивается почти до максимального значения и составляет 90%.
В рецепции ВАН при взрослении испытуемых происходят незначительные изменения в обонятельной чувствительности. Статистически значимые возрастные изменения у испытуемых наблюдаются только между девочками и женщинами, и между девушками пубертатного возраста. Средний процент испытуемых, ответивших отрицательно на предъявление им этого запахового стимула в концентрации 10"3 г/мл во всех исследуемых возрастных группах, составил от 7 до 17% и распределялся случайно, подобные данные были получены и при действии более низких концентраций ВАН.
Оценка качества предъявляемого запаха в ряде случаев зависела от возраста испытуемых. Среди представительниц, которые различали запах АНД, ответы, относящиеся к категории «приятный» или «неприятный» запах при предъявлении им тестеров в концентрации 10"6 и 10"9г /мл, распределялись в зависимости от того, к какой возрастной группе они принадлежали. Как правило, количество испытуемых, определяющих данный запах как «запах пота» или «мочи», среди женщин было в несколько раз выше (от 25 до 75%), чем тех, кто идентифицировал его как цитрусовый, цветочный и тому подобное, т.е. как «приятный», причем, число женщин, воспринимающих данных запах как «неприятный», увеличилось с возрастом. В исследовании Келлера было описано, что представители, являющиеся гомозиготами по аллелям гена, описывают запах АНД как более резкий и неприятный по сравнению с другими субъектами (Keller et al., 2007), но данная работа не исследует влияние возраста. Похожая ситуация с описанием качества запаха относится и к ИВК. Количество испытуемых, воспринимающих ИВК как «приятный» запах, уменьшается с возрастом от 80 до 33%. Следовательно, количество исследуемых, воспринимающих ИВК как «неприятный» запах, наоборот, увеличивается от 20% в младших группах до 67% для взрослых женщин. Иная картина обстоит с восприятием ВАН, которое находится почти на постоянном уровне во всех возрастных категориях. Так, количество испытуемых, чувствующих «приятный» запах ВАН в разных концентрациях, не меняется с возрастом и составляет 76 - 80%. А ощущения «неприятного» запаха при действии ВАН испытывают только 24-20% испытуемых.
Таким образом, отметим, что эти исследования впервые затронули широкую популяцию российских представительниц женского пола и дают представление об характере изменений обонятельной чувствительности к использованным пахучим веществам у них, начиная с младшего до половозрелого возраста.
Похожие диссертации на Особенности обонятельной чувствительности человека к запахам феромонального типа
