Την εποχή που ο άνθρωπος πατούσε το πόδι του στο φεγγάρι, δεν ήξερε κυριολεκτικά τι συνέβαινε κάτω από την ίδια του τη μύτη! Ομοίως, δεν ήξερε σχεδόν τίποτε για τα αφτιά του, ενώ οι γνώσεις του για τα μάτια του ήταν αποσπασματικές. Και να σκεφθεί κανείς ότι χωρίς τις αισθήσεις του το ανθρώπινο είδος δεν θα είχε καν επιβιώσει, πολλώ δε μάλλον δεν θα είχε κάνει τους διαστημικούς περιπάτους του. Βεβαίως για να πάει στον φεγγάρι ο άνθρωπος δεν χρειάζεται να ξέρει πώς λειτουργούν τα μάτια του και τα αφτιά του, χρειάζεται απλώς να τα χρησιμοποιεί. Είναι ωστόσο ενδεικτικό του βαθμού δυσκολίας που ενέχει η μελέτη των αισθήσεων (η οποία επιταχύνθηκε κατά πολύ μόνο όταν άνθησε η μοριακή βιολογία), αλλά και των ερευνητικών προτεραιοτήτων μας (αν στόχος είναι η επίδειξη δυνάμεως, είναι προφανές ότι ένα διαστημικό ταξίδι είναι προτιμότερο από τη διαλεύκανση του μηχανισμού της όσφρησης…).
Το εφετινό βραβείο Νομπέλ Φυσιολογίας και Ιατρικής, το οποίο μοιράζονται οι αμερικανοί καθηγητές Ρίτσαρντ Αξελ (Richard Axel) και Λίντα Μπακ (Linda Β. Buck), επιβραβεύει την επιτυχή προσπάθεια κατανόησης της όσφρησης (πράγμα το οποίο επετεύχθη τα τελευταία 13 χρόνια) και σηματοδοτεί μια αλλαγή στις προτεραιότητες της επιτροπής των βραβείων. Εν αντιθέσει με το παρελθόν, όπου η έμφαση δινόταν σε επιστημονικά επιτεύγματα με άμεσες εφαρμογές (είναι χαρακτηριστικό ότι οι περυσινοί τιμώμενοι επινόησαν τον μαγνητικό τομογράφο), οι έρευνες των Αξελ και Μπακ παρήγαγαν θεμελιώδη γνώση χωρίς να στοχεύουν άμεσα σε ιατρικές εφαρμογές. Πίσω στα βασικά λοιπόν και το σημερινό άρθρο που συνοψίζει τις γνώσεις μας για την όραση, την όσφρηση και την ακοή.
H αντίληψη του κόσμου που μας περιβάλλει μοιάζει να μην απαιτεί κανενός είδους προσπάθεια: ανοίγουμε τα μάτια μας και βλέπουμε τα χρώματα των δένδρων ένα φθινοπωρινό πρωινό, στα αφτιά μας φτάνει το θρόισμα του αέρα, η μύτη μας ανιχνεύει τη βροχή προτού ακόμη αρχίσει να βρέχει, αισθανόμαστε ακόμη και μια τρίχα να πέφτει πάνω στο δέρμα μας… Και όμως, πίσω από όλα αυτά που φαίνεται να αντιλαμβανόμαστε χωρίς κόπο κρύβεται μια τεράστια δραστηριότητα: δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα επικοινωνούν μεταξύ τους για να ανασχηματίσουν στον εγκέφαλο την εικόνα του περιβάλλοντός μας. Γιατί βλέπουμε, ακούμε, γευόμαστε, οσφραινόμαστε και αισθανόμαστε με τον εγκέφαλο, όπως διαπιστώνουν όσοι έχουν την ατυχία να χάσουν κάποια από τις αισθήσεις τους έπειτα από εγκεφαλικό τραυματισμό. Πώς γίνεται όμως και ο εγκέφαλος «βγάζει νόημα» από τα αισθητηριακά ερεθίσματα; Πώς το φως που φτάνει στα μάτια μας γίνεται κατανοητό ως ημέρα, ο ήχος που φτάνει στα αφτιά μας ως μουσική και η μυρωδιά που φτάνει στη μύτη μας ως το άρωμα της μητέρας μας;
Αυτά τα πολύ θεμελιώδη ερωτήματα, τα οποία απασχόλησαν τους ερευνητές εδώ και αιώνες, μπόρεσαν να βρουν απαντήσεις μόλις πολύ πρόσφατα. Με εξαίρεση την όραση, η όσφρηση και η ακοή παρέμειναν μεγάλα μυστήρια ως τη δεκαετία του ’80, όταν η ανάπτυξη μοριακών τεχνικών επέτρεψε τη διερεύνησή τους. Αξίζει δε να σημειωθεί ότι οι πρόοδοι που είχαν γίνει στην κατανόηση του μοριακού μηχανισμού της όρασης βοήθησαν στη διαλεύκανση του μηχανισμού της όσφρησης και της ακοής, καθώς ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί παραλλαγές της ίδιας βασικής αρχής για να μετατρέψει την ηλεκτρομαγνητική, τη μηχανική ή την χημική ενέργεια στην ηλεκτροχημική ενέργεια των νευρικών ώσεων. (Δεν είναι τυχαίο ότι η όραση προκάλεσε το ενδιαφέρον των ερευνητών από πολύ νωρίς: στην πράξη ο αμφιβληστροειδής χιτώνας του ματιού αποτελεί τη μόνη ορατή – με οφθαλμοσκόπιο – και σχετικά προσβάσιμη περιοχή του εγκεφάλου. Ηδη το 1900 ο διάσημος ισπανός ανατόμος Ραμόν ι Καχάλ – Ramon y Cajal – ζωγράφισε τα ραβδία και τα κωνία του αμφιβληστροειδούς καθώς και τις περίπλοκες συνδέσεις τους με τα ενδότερα εγκεφαλικά κύτταρα.)
H αρχή για την αντίληψη του περιβάλλοντός μας γίνεται μέσω ενός ή περισσοτέρων εξειδικευμένων στην πρόσληψη ερεθισμάτων κυττάρων: έτσι, τα ραβδία και τα κωνία του ματιού λαμβάνουν τα φωτεινά ερεθίσματα, τα κύτταρα του οσφρητικού επιθηλίου της μύτης «συλλαμβάνουν» τα χημικά μόρια, ενώ τα ακουστικά κύτταρα στον κοχλία του αφτιού ανταποκρίνονται στη μηχανική πίεση που ασκείται από την είσοδο του αέρα. Ο ρόλος των παραπάνω κυττάρων δεν περιορίζεται στη λήψη των ερεθισμάτων, αλλά επεκτείνεται και στη μετατροπή αυτών σε ηλεκτρικά σήματα κατανοητά για τον εγκέφαλο. Με άλλα λόγια, τα κύτταρα που προσλαμβάνουν τα εξωτερικά ερεθίσματα «μεταφράζουν» την πληροφορία που δέχονται σε μια γλώσσα που ο εγκέφαλος μπορεί να αντιληφθεί.
Τη στιγμή που ένα φωτόνιο φτάσει σε ένα ραβδίο ή κωνίο του ματιού απορροφάται από ένα από τα 100 εκατομμύρια μόρια της πρωτεΐνης ροδοψίνης που υπάρχει στο καθένα από αυτά τα κύτταρα. Το μόριο της ροδοψίνης μοιάζει με ένα πολλαπλώς αναδιπλωμένο φίδι το οποίο διαπερνά τη μεμβράνη των ραβδίων και των κωνίων επτά φορές. H ροδοψίνη εμπεριέχει μια μορφή βιταμίνης A, η οποία ευθύνεται για την απορρόφηση του φωτονίου. Στο σκοτάδι η βιταμίνη A είναι πακεταρισμένη μέσα σε μια τσέπη που σχηματίζει το μόριο της ροδοψίνης. H έκθεση στο φως έχει ένα αποτέλεσμα όμοιο με αυτό της πτώσης του πρώτου ντόμινο: πυροδοτεί μια σειρά αλυσιδωτές αντιδράσεις. Ετσι αρχικώς προκαλείται αλλαγή στη στερεοδιάταξη της βιταμίνης A, η οποία με τη σειρά της επιφέρει αλλαγή στη στερεοδιάταξη της ροδοψίνης, γεγονός το οποίο ενεργοποιεί μια πρωτεΐνη της οικογένειας G, η οποία διασπά ένα μόριο που ονομάζεται κυκλικό GMP. H συγκέντρωση του κυκλικού GMP στο κύτταρο ελέγχει τη λειτουργία των καναλιών από τα οποία τα ιόντα μπαινοβγαίνουν σε αυτό. Στο σκοτάδι η συγκέντρωση του GMP είναι μεγάλη, τα κανάλια ιόντων είναι ανοιχτά και τα θετικά φορτισμένα ιόντα νατρίου και καλίου μπαίνουν ελεύθερα στο κύτταρο. H παρουσία φωτός, η οποία οδηγεί στη διάσπαση και άρα μείωση της συγκέντρωσης του κυκλικού GMP στο κύτταρο, έχει ως αποτέλεσμα το κλείσιμο των καναλιών και την αλλαγή του ηλεκτρικού δυναμικού του κυττάρου (το οποίο τώρα γίνεται αρνητικότερο). H αλλαγή αυτή μειώνει τη συγκέντρωση του νευροδιαβιβαστή που απελευθερώνεται από το ραβδίο ή το κωνίο στο επόμενο νευρικό κύτταρο, «ενημερώνοντάς το» έτσι για την πρόσληψη φωτός που έχει προηγηθεί.
Να λοιπόν τι συμβαίνει όταν κοιτάζουμε ένα αντικείμενο: οι ακτίνες φωτός που αντανακλώνται από αυτό διαπερνούν τον φακό του ματιού μας, ο οποίος δημιουργεί την αντεστραμμένη προβολή του αντικειμένου στον αμφιβληστροειδή χιτώνα (στο πίσω μέρος του ματιού μας). H ενεργοποίηση των ραβδίων και των κωνίων έχει ως αποτέλεσμα (με τον μηχανισμό που περιγράψαμε παραπάνω) την αποστολή μηνυμάτων, μέσω του οπτικού νεύρου, σε μια περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται LGN (lateral geniculate nucleus). Από εκεί σήματα τα οποία αφορούν λεπτομέρειες του αντικειμένου φτάνουν σε συγκεκριμένες περιοχές του οπτικού φλοιού (ο οποίος εντοπίζεται στο πίσω μέρος του κρανίου) και στη συνέχεια αποστέλλονται σε περιοχές όπου η επεξεργασία της πληροφορίας επιτρέπει τη συνειδητή αντίληψη του αντικειμένου με όλες τις λεπτομέρειές του (π.χ., το σχήμα, το χρώμα, την κίνησή του…).
H μελέτη των αισθήσεων θα απασχολεί τους επιστήμονες για πολλά χρόνια ακόμη. Πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας είναι η ανάπτυξη των οφθαλμών κατά την εμβρυογένεση. Οπως φαίνεται στις εικόνες, οι επιστήμονες παρακολουθούν τις διαφορετικές πρωτεΐνες και την κατανομή τους στο αναπτυσσόμενο μάτι χρησιμοποιώντας φθορίζουσες χρωστικές (εικόνα 1). Σύμφωνα με ευρήματα επιστημόνων του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας, η απουσία ενός και μόνο γονιδίου (του shh) από το αναπτυσσόμενο μάτι (στη συγκεκριμένη περίπτωση μάτι ψαριού) οδηγεί σε δομικές ανωμαλίες και τύφλωση (εικόνα 3). (H εικόνα 2 δείχνει το κανονικό μάτι).
Οι δύο φετινοί βραβευμένοι ακολούθησαν τα χνάρια των επιστημόνων που είχαν διαλευκάνει τον μοριακό μηχανισμό της όρασης προκειμένου να αναζητήσουν τις μοριακές λεπτομέρειες του μηχανισμού της όσφρησης. Κάνοντας την υπόθεση ότι θα πρέπει να υπάρχουν πρωτεΐνες αντίστοιχες με τις G των ματιών, οι Αξελ και Μπακ τις αναζήτησαν στα κύτταρα του ρινικού επιθηλίου. Επειτα από πολλές προσπάθειες τις ανακάλυψαν, αλλά τίποτε δεν τους είχε προετοιμάσει για την έκπληξη που τους περίμενε: παρά το γεγονός ότι αρχικώς περιέγραψαν την παρουσία εκατό τέτοιων πρωτεϊνών (έχοντας ανακαλύψει τα αντίστοιχα γονίδια), στη συνέχεια ανακάλυψαν ότι υπάρχουν περί τις χίλιες πρωτεΐνες G (οι οποίες, όπως ήταν αναμενόμενο, διατρέχουν την μεμβράνη των κυττάρων επτά φορές).
Οι χίλιες και πλέον πρωτεΐνες G μοιάζουν μεταξύ τους, αλλά δεν είναι απολύτως όμοιες: διαφέρουν σε χαρακτηριστικά σημεία που σχετίζονται με την πρόσληψη των χημικών μορίων που φτάνουν στη μύτη μας. Ετσι κάθε πρωτεΐνη G μπορεί να αναγνωρίσει έναν περιορισμένο αριθμό μορίων. Κάθε κύτταρο του ρινικού επιθηλίου διαθέτει έναν και μοναδικό τύπο οσφρητικού υποδοχέα (μια διαφορετική πρωτεΐνη G), γεγονός που του αποδίδει εξειδίκευση ως προς τον τύπο των χημικών μορίων που μπορεί να αναγνωρίσει.
H πρόσδεση πτητικών μορίων πάνω στους εξειδικευμένους υποδοχείς του ρινικού επιθηλίου έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της στερεοδιάταξης του υποδοχέα, γεγονός το οποίο πυροδοτεί την αποστολή ενός μοριακού μηνύματος από το κύτταρο του ρινικού επιθηλίου σε συγκεκριμένη περιοχή του οσφρητικού λοβού του εγκεφάλου (ο μηχανισμός είναι ανάλογος με αυτόν που χρησιμοποιούν τα ραβδία και τα κωνία). Το σημείο του οσφρητικού λοβού στο οποίο φτάνει το μήνυμα είναι καθορισμένο για κάθε κύτταρο του οσφρητικού επιθηλίου. Από τον οσφρητικό λοβό, την πρώτη «στάση» της οσφρητικής πληροφορίας στον εγκέφαλο, τα μηνύματα αποστέλλονται σε διαφορετικά σημεία του φλοιού του εγκεφάλου. (Στα σημεία αυτά μπορεί να συγκεντρωθεί πληροφορία που έχει αρχικώς προέλθει από οποιοδήποτε κύτταρο του ρινικού επιθηλίου.) Καθώς κάθε μυρωδιά αποτελείται από περισσότερα του ενός πτητικά μόρια, τα σημεία του εγκεφαλικού φλοιού στα οποία συγκεντρώνεται τελικώς η αρχική πληροφορία είναι χαρακτηριστικά για κάθε οσμή και επιτρέπουν τη συνειδητή αντίληψή της από τον δέκτη.
Στο εσωτερικό των αφτιών μας, στον κοχλία, εντοπίζονται τα κύτταρα που συλλαμβάνουν τα ηχητικά ερεθίσματα. Πρόκειται για κύτταρα τα οποία φέρουν δέσμες τριχιδίων αυξανόμενου μήκους. Τα ηχητικά κύματα τα οποία δημιουργούνται από μηχανικές δυνάμεις (όπως το παίξιμο μιας χορδής ή η εκπνοή αέρα από τον λάρυγγα κατά την ομιλία) προκαλούν δονήσεις στο τύμπανο του αφτιού καθώς και στα τρία παρακείμενα οστάρια. Το τελευταίο από αυτά τα μικρά οστά πιέζει μια εύκαμπτη περιοχή ιστού στη βάση του κοχλία και η πίεση μεταφέρεται σε ορισμένα από τα ακουστικά κύτταρα.
Παρά το γεγονός ότι τα κύτταρα αυτά μετατρέπουν τη μηχανική πληροφορία σε ηλεκτρική, ανοιγοκλείνοντας κανάλια ιόντων όπως και τα αντίστοιχα κύτταρα των ματιών και της μύτης, ο τρόπος με τον οποίο το επιτυγχάνουν είναι διαφορετικός. Στην περίπτωση των αφτιών δεν υπάρχει διαμεσολάβηση πρωτεΐνης της οικογένειας G και δεν απαιτείται μια αλυσιδωτή σειρά γεγονότων. Αντιθέτως, όλα γίνονται με μηχανικό τρόπο: η μετακίνηση των τριχιδίων των κυττάρων που έχουν ενεργοποιηθεί από τη δόνηση προκαλεί (μέσω ενός μηχανισμού που διερευνάται ακόμη) το άνοιγμα και κλείσιμο των καναλιών ιόντων. Τα μηνύματα που αποστέλλονται από τα κύτταρα του κοχλία στον εγκέφαλο αφορούν τη συχνότητα, την ένταση και τη διάρκεια του ήχου. Επειτα από διάφορες στάσεις τα μηνύματα φτάνουν στις περιοχές του φλοιού όπου η επεξεργασία τους επιτρέπει την αντίληψή τους ως μουσική, ομιλία ή φασαρία.
Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο για την ακοή όσο και για τις υπόλοιπες αισθήσεις υπάρχουν ακόμη πολλά σκοτεινά σημεία. Πολλές λεπτομέρειες για τις οποίες οι επιστήμονες έχουν πλήρη άγνοια. Οι μελέτες όμως που επέτρεψαν τη μέχρι τούδε κατανόηση των αισθήσεων οδήγησαν στο εξής συμπέρασμα που άλλαξε τη θεώρησή τους για τη λειτουργία του εγκεφάλου. H ιδέα της ιεραρχίας και της ύπαρξης ενός «ανώτερου κέντρου» στον εγκέφαλο το οποίο θα ήλεγχε τα κατώτερα έχει αρχίσει να σβήνει και να δίνει τη θέση της σε έναν ευέλικτο εγκέφαλο, τα διαφορετικά μέρη του οποίου αναπτύσσουν τις συνεργασίες που απαιτούνται για να επιλυθούν τα κατά περίπτωση προβλήματα και να μπορούμε να αποκτούμε μια συνολική εικόνα του κόσμου που μας περιβάλλει.
* Παραδοσιακά, οι αισθήσεις είναι πέντε: όραση, ακοή, όσφρηση, γεύση και αφή. Ωστόσο οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να προσθέτουν και άλλες, οι οποίες προς το παρόν αποτελούν υποκατηγορίες της αφής και είναι η αίσθηση του πόνου, της πίεσης, της θερμοκρασίας, της θέσης των συνδέσμων καθώς και η αίσθηση των μυών μας και της κίνησής τους.
* Το οσφρητικό επιθήλιο (η περιοχή της μύτης η οποία ευθύνεται για την πρόσληψη των οσμών και αποτελείται από χαρακτηριστικά κύτταρα που φέρουν υποδοχείς για τις ουσίες που μυρίζουμε στο περιβάλλον) ενός σκύλου είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερο σε σχέση με αυτό του ανθρώπου.
* Τα ψάρια διαθέτουν πολύ λίγους οσφρητικούς υποδοχείς (περίπου 100). Αντίθετα το ποντίκι διαθέτει περί τους 1.500 και ο άνθρωπος περί τους 1.000. Οι ερευνητές αποδίδουν τη μείωση του αριθμού των οσφρητικών υποδοχέων στους ανθρώπους σε απώλειά τους κατά τη διάρκεια της εξέλιξης
* Κατά τη διάρκεια μιας νύχτας με φεγγάρι στην εξοχή ένας άνθρωπος βλέπει πολύ καλά τα σχήματα (π.χ., των δένδρων) αλλά δεν βλέπει χρώματα (έστω και αν η γνώση των χρωμάτων των αντικειμένων που κοιτά τον εμποδίζει πολλές φορές να το συνειδητοποιήσει). Αιτία αυτής της πρόσκαιρης αχρωματοψίας είναι το γεγονός ότι τα ραβδία του ματιού τα οποία ενεργοποιούνται υπό αμυδρό φως δεν παρέχουν χρωματικές πληροφορίες στον εγκέφαλο. Γι’ αυτές απαιτείται η δράση των κωνίων, τα οποία για να ενεργοποιηθούν απαιτούν εντονότερο φως.
* Ενώ ο αριθμός φωτοϋποδοχέων του ματιού φτάνει τα 100 εκατομμύρια, υπάρχουν μόνο 16.000 ακουστικά κύτταρα στον κοχλία του ανθρώπινου αφτιού. Εχει δε υπολογιστεί ότι ο μέσος άνθρωπος χάνει το 40% αυτών ως την ηλικία των 65 ετών.
* Τα ακουστικά κύτταρα είναι τόσο ευαίσθητα που για να τα μελετήσουν οι ερευνητές τα τοποθετούν σε περιβάλλον χωρίς κραδασμούς. Το μέγιστο της επιβίωσής τους εκτός του κοχλία είναι 15 λεπτά, ενώ ένας κραδασμός αρκεί για να τα σκοτώσει σε δευτερόλεπτα. Πειράματα έδειξαν ότι δύο ώρες δυνατής μουσικής (αντίστοιχης με αυτήν μιας συναυλίας ροκ μουσικής) επέφερε ανεπανόρθωτες βλάβες στα ακουστικά κύτταρα πειραματόζωων.
* Σε πολλά θηλαστικά έχουν εντοπιστεί δύο ακόμη οικογένειες γονιδίων που κωδικοποιούν τους οσφρητικούς υποδοχείς. Αυτοί επιτρέπουν την ανίχνευση των φερορμονών ουσιών οι οποίες καθορίζουν συμπεριφορές των ζώων, όπως το ζευγάρωμα ή η ενστικτώδης αντίδραση σε μέλη της ίδιας οικογένειας.
* Το κάπνισμα καταστρέφει τα κύτταρα του οσφρητικού επιθηλίου.
