嗅覚

陸生動物の生活において、嗅覚は外部環境とのコミュニケーションにおいて重要な役割を果たします。匂いを認識し、空気中に含まれるガス状の匂い物質を特定する役割を果たします。進化の過程で、外胚葉起源の嗅覚器官は、最初は口の開口部付近で形成され、その後、口腔から分離された上気道の最初の部分と結合しました。一部の哺乳類は非常に発達した嗅覚（マクロスマティック）を持っています。このグループには、食虫動物、反芻動物、有蹄動物、捕食動物が含まれます。他の動物は全く嗅覚を持っていません（アナスマティック）。イルカなどがこれに該当します。3番目のグループは、嗅覚があまり発達していない動物（ミクロスマティック）で構成されています。霊長類などがこれに該当します。

ヒトの嗅覚器官（オルガクウム・オルファクトゥム）は鼻腔の上部に位置します。鼻粘膜の嗅覚領域（レジオ・オルファクタリア・チュニカエ・ムコサエ・ナシ）には、上鼻甲介を覆う粘膜と鼻中隔の上部が含まれます。粘膜を覆う上皮の受容層には、嗅覚神経感覚細胞（セルラ・ニューロセンソリア・オルファクタリアエ）が含まれており、嗅覚物質の存在を感知します。嗅細胞の間には支持上皮細胞（エピテリオサイト・サステナンス）が存在します。支持細胞はアポクリン分泌能を有します。

嗅覚神経細胞の数は600万個（1 mm²あたり3万個^）に達する。嗅細胞の遠位部は肥厚部、すなわち嗅棍（きゅうこん）を形成する。それぞれの肥厚部には最大10～12本の嗅繊毛が位置する。繊毛は可動性があり、臭気物質の影響下で収縮する。核は細胞質の中心に位置する。受容細胞の基底部は、細く湾曲した軸索へと続く。嗅細胞の頂端面には多数の絨毛が分布する。

嗅腺（glandulae olfactoriae）は、嗅覚領域の疎性結合組織の厚みに位置し、外皮上皮を湿らせる水様分泌物を合成します。嗅細胞の繊毛を洗浄するこの分泌物には、匂い物質が溶解しています。これらの物質は、繊毛を覆う膜に存在する受容体タンパク質によって知覚されます。神経感覚細胞の中心突起は、15～20本の嗅神経を形成します。

嗅神経は嗅骨の篩骨板の開口部から頭蓋腔に入り、嗅球へと進む。嗅球では、嗅糸球体の嗅神経感覚細胞の軸索が僧帽細胞と接触する。嗅索の厚みにある僧帽細胞の突起は嗅三角へと向かい、嗅条（中間線と内側線）の一部として前穿孔物質、脳梁下領域（area subcallosa）、および対角線（bandaletta [stria] diagonalis）（ブローカ線）へと進む。外側線の一部として、僧帽細胞の突起は海馬傍回を経て、皮質嗅覚中枢を含む鉤へと進む。

嗅覚知覚の神経化学的メカニズム

1950年代初頭、アール・サザーランドは、グリコーゲンからグルコースの生成を促すアドレナリンを例に挙げ、細胞膜を介したシグナル伝達の原理を解明しました。この原理は、様々な受容体に共通することが判明しました。20世紀末には既に、匂いの知覚も同様の方法で行われ、受容体タンパク質の構造の細部まで類似していることが判明しました。

一次受容体タンパク質は複雑な分子であり、リガンドが結合すると顕著な構造変化が起こり、その後、触媒（酵素）反応のカスケードが起こります。嗅覚受容体と視覚受容体の両方において、このプロセスは脳の対応する部分の神経細胞によって知覚される神経インパルスで終わります。受容体タンパク質は、それぞれ20～28残基を含むセグメントで構成されており、これは30Åの厚さの膜を通過するのに十分な大きさです。これらのポリペプチド領域はαヘリックスに折り畳まれています。したがって、受容体タンパク質本体は、膜を通過する7つのセグメントからなるコンパクトな構造です。このような一体型タンパク質の構造は、目の網膜のオプシン、セロトニン、アドレナリン、ヒスタミンの受容体に特徴的です。

膜受容体の構造を再構築するには、X線構造データが不十分です。そのため、現在、アナログコンピュータモデルが広く用いられています。これらのモデルによれば、嗅覚受容体は7つの疎水性ドメインから構成されています。リガンド結合アミノ酸残基は、細胞表面から12Åの位置に「ポケット」を形成します。このポケットはロゼット構造として描かれ、様々な受容体システムで同様に構築されています。

嗅覚物質が受容体に結合すると、2つのシグナル伝達カスケードのうちの1つが活性化され、イオンチャネルの開口と受容体電位の発生が引き起こされます。嗅細胞に特異的なAGタンパク質はアデニル酸シクラーゼを活性化し、cAMP濃度の上昇をもたらします。cAMPの標的はカチオン選択性チャネルです。これらのチャネルの開口は、Na+とCa2+の細胞内への流入と膜の脱分極を引き起こします。

細胞内カルシウム濃度の上昇は、Ca制御性Clチャネルの開口を引き起こし、さらなる脱分極と受容体電位の発生につながります。シグナルの消光は、cAMP濃度の低下、特異的ホスホジエステラーゼ、そしてカルモジュリンと複合体を形成したCa2+がイオンチャネルに結合し、cAMPに対する感受性を低下させることによって起こります。

もう一つのシグナル抑制経路は、ホスホリパーゼCとプロテインキナーゼCの活性化を伴う。膜タンパク質のリン酸化は陽イオンチャネルを開き、その結果、膜電位が瞬時に変化し、活動電位も発生する。このように、プロテインキナーゼによるタンパク質のリン酸化と、対応するホスファターゼによる脱リン酸化は、外部刺激に対する細胞の瞬時応答の普遍的なメカニズムであることが判明した。嗅球に向かう軸索は束状に束ねられる。鼻粘膜には三叉神経の自由終末も存在し、その一部は匂いに反応することができる。咽頭では、嗅覚刺激は舌咽神経（IX）と迷走神経（X）の脳神経線維を興奮させる。匂いの知覚におけるその役割は嗅神経とは関連がなく、病気や怪我により嗅上皮が機能不全に陥った場合でも維持されます。

組織学的には、嗅球はいくつかの層に分かれており、特定の形状の細胞を特徴とし、特定のタイプの突起とそれらの間の典型的なタイプの接続を備えています。

情報の収束は僧帽細胞で起こる。糸球体層では、約1,000個の嗅細胞が1つの僧帽細胞の一次樹状突起に終結する。これらの樹状突起は、糸球体周縁細胞と相互に樹状突起シナプスを形成する。僧帽細胞と糸球体周縁細胞間の接触は興奮性であり、反対方向の接触は抑制性である。糸球体周縁細胞の軸索は、隣接する糸球体の僧帽細胞の樹状突起に終結する。

顆粒細胞は僧帽細胞と相互に樹状突起シナプスを形成し、これらの接触は僧帽細胞によるインパルス生成に影響を与える。僧帽細胞のシナプスもまた抑制性である。顆粒細胞は僧帽細胞の側枝とも接触する。僧帽細胞の軸索は大脳皮質へと向かう嗅覚外側路を形成する。高次ニューロンとのシナプスは海馬と（扁桃体を介して）視床下部の自律神経核との接続を提供する。嗅覚刺激に反応するニューロンは、眼窩前頭皮質と中脳網様体にも存在する。