Hajun fysiologia

Odorantit muuttuvat nenässä hermoimpulsseiksi

Hajureseptorit ovat varsinaisia hermosoluja. Ne sijaitsevat hajuepiteelissä, n. 2–3 cm² alueella molemmin puolin nenän yläosassa. Ne uusiutuvat 4–5 viikon aikaskaalalla. Reseptorisolujen mikrovillukset ulottuvat epiteelistä ja reagoivat ilmassa olevien molekyylien kanssa. Hajua tuottavat aineet (odorantit) liukenevat ensin hajuepiteeliä päällystävään limaan, joka uusiutuu noin 10 minuutin aikavälillä. Tässä limassa on odorantteja sitovia proteiineja (OBP), jotka ilmeisesti pystyvät sitomaan ja konsentroimaan odorantteja. Päästäkseen ärsyttämään hajuaistia aineen molekyylipainon on oltava alle 300. Lisäksi sen on oltava jonkin verran liukoinen sekä veteen että rasvoihin eikä se saa olla kovin polaarinen (sähköisesti varattu). Odorantit sitoutuvat sitten reseptorisolujen kalvon 7TM-tyyppisiin reseptoriproteiineihin, jotka on G-proteiinien kautta kytketty adenylaattisyklaasiin säädellen siten syklisen AMP:n määrää. Syklinen AMP avaa kalvon kationikanavia, mikä depolarisoi solun ja aiheuttaa hermoimpulsseja. Sisäänvirtaavalla kalsiumilla on myös muita vaikutuskohtia solumekanismeihin.

Tuhat odoranttigeeniä

Tietty reseptorisolu on spesifinen määrätylle aineryhmälle, johtuen siitä, että siinä ilmentyy vain yksi reseptoriproteiini. Kaiken kaikkiaan näitä reseptoriproteiineja ja niille koodaavia geenejä on yllättävän monta erilaista - ihmisellä tuhatkunta. Odoranttigeenejä löytyy useimmista kromosomeista, eniten kromosomissa 11 ja ilmeisesti ei lainkaan kromosomissa 20 eikä Y-kromosomissa. Reseptorit ovat hajuepiteelissä järjestyneet siten, että eri aineryhmien reseptorit ovat eri alueilla, mutta samansukuisten aineiden reseptorit ovat näillä alueilla sekaisin. Hajuepiteeliin muodostuu eräänlainen "hajukartta". Ilmeisesti aivot päättelevät hajun laadun lähinnä sen perusteella, mistä kohdasta hajuepiteeliä viestit tulevat. Hajun tunnistus perustuu kuitenkin paljolti siihen, että odoranttimolekyyleillä on affiniteettia useammanlaiseen kalvoreseptoriproteiiniin ja yksi reseptoriproteiini reagoi suuremmassa tai pienemmässä määrin useallekin samaan ryhmään kuuluvalle odorantille. Pienikin rakennemuutos muuttaa reseptorien vasteet. Esimerkiksi hajusteissa käytetty kapryylialkoholi tuoksuu appelsiinille, mutta kapryylihappo hielle, missä sitä esiintyy. Suuret odoranttikonsentraatiot voivat aktivoida useammantyyppisiä reseptoreita kuin pienet. Siten esimerkiksi pienet indolipitoisuudet tuoksuvat kukkaiselle, mutta suuret mädäntyneelle. Yhdistelemällä viestejä useammanlaatuisesta reseptorista voidaan siten tunnistaa huomattavan paljon useampia hajuja kuin on erilaisia reseptoreita. Siten ihmisetkin pystyvät tunnistamaan kymmeniä tuhansia eri hajuja vaikka eri reseptoriproteiineja on vain tuhat. Reseptorigeeneihin liittyy huomattava polymorfismi, jonka johdosta eri yksilöillä on suuria eroja kyvyssään tunnistaa hajuja.

Hajureseptorisolut adaptoituvat nopeasti hajuun, mutta toiselle aineelle spesifiset reseptorit ovat kuitenkin edelleen herkkiä, joten uusi haju voidaan havaita, vaikka edelliselle on jo tottunut.

Hiippasolut kuljettavat hajun aivoihin ja vaikuttavat mielialaan

Reseptorisolujen aksonit muodostavat ensimmäisen aivohermon ja kulkevat kallonpohjassa olevien reikien läpi bulbus olfactoriukseen - "hajukäämiin". Läpimenokohta on arka iskuille päähän, jotka joskus aiheuttavat anosmian - kyvyttömyyden tuntea hajuja. Bulbuksessa reseptorisolujen aksonit synapsoivat ns. glomeruluksissa mitraalisolujen ("hiippasolujen") dendriittien kanssa. Glomerulukseen, joita on noin 2000, tulee impulsseja vain yhdentyyppisistä reseptoreista, joten myös hajukäämiin muodostuu "hajukartta". Hiippasoluilla on jatkuvaa impulssiaktiivisuutta ja niiden aksonit kulkevat hajujuostetta myöten aivoihin, etuaivojen alapinnalla olevaan hajukuoreen sekä mm. mantelitumakkeeseen. Ne saavuttavat monia limbisen järjestelmän alueilta vaikuttaen siten emootioihimme. Hajuaistin impulssit eivät siis kaikki kulje talamuksen kautta, kuten muiden aistien viestit. Arvellaan kuitenkin, että tietoisen hajun aistimisen ärsykkeet kulkeutuvat talamuksen kautta otsalohkon alapinnalle. Osa hiippasolujen aksoneista nimittäin synapsoi hajukyhmyssä (tuberculum olfactorium), josta on yhteys talamuksen kautta orbitofrontaalikuorelle. Orbitofrontaalikuori liittyy muun muassa sosiaaliseen vuorovaikutuskäyttäytymiseemme, kuten aivovaurioista on voitu päätellä.

Hiippasolut ovat siis aktiivisia jatkuvasti eikä vain hajua tuottavien aineiden saapuessa hajuepiteelin kanssa kosketuksiin. Mielenkiintoista on, että hajukäämin molemminpuolinen poisto aiheuttaa rotalle depressiota muistuttavan tilan, joka mm. käy antidepressiivisten lääkeaineiden testauksen malliksi. Hajuepiteelin puuduttaminen tai poisto ei sensijaan aiheuta depressiotilaa. Hiippasolujen aktiivisuudella on siis merkitystä mielialalle. Sitä moduloivat useat neuropeptidit, mm. gonadotropiinien vapauttajahormoni GnRH.

Hajut herättävät ja synnyttävät muistoja

Deklaratiivisten muistikuvien ("tiedot") varastoitumisessa keskeinen hippokampus sijaitsee ohimolohkossa ja saa hajukäämistä projektioita. On huomattu, että hajut herättävät mieleen tapahtumia herkemmin kuin muut aistit. Samoin on huomattu, että ns. temporaaliepilepsiassa kohtauksiin usein liittyy hajuelämyksiä. Nämä voivat olla huomattavan tunnepitoisia. Onhan myös mantelitumake, joka liittyy tunnepitoiseen muistiin, ohimolohkon alueella. Hajuun voi ehdollistua. Eräässä kokeessa koehenkilöille annettiin hajuärsyke ja samalla injisoitiin insuliinia, jolloin verensokeri tietenkin laski. Muutaman päivän ehdollistamisen jälkeen pelkkä hajuärsyke johti verensokerin laskuun. Hajuelämyksiin liittyvä oppiminen alkaa syntymän jälkeen. Vastasyntynyt reagoi vielä samalla tavoin miellyttäville ja epämiellyttäville hajuille. Jo viikon iässä vauva osaa jo erottaa omaan äitiin liittyvät hajut vieraan naisen hajuista. Hajuun liittyvä oppiminen jatkuu koko elämän. Klassinen anekdootti liityy kirjailija Marcel Proustiin, joka aikuisena koki intensiivisen mielihyäelämyksen murusesta tiettyä leivosta. Myöhemmin hän muisti sen liittyvän hänen suuresti rakastamaansa tätiin ja koko lapsuuden muisto paikkoineen ja tapahtumineen tuli eläväksi. Jokainen lukija on varmaan kokenut jotain vastaavaa.

Anosmiasta syömishäiriöitä ja vaaroille altistumista

Iän mukana hajuaisti usein menettää herkkyttään. Anosmia saattaa aiheuttaa ruokahaluttomuutta ja sitä kautta myötävaikuttaa vanhuksilla malnutritioon. Päinvastaista ruokakäyttäytymistä on myös kuvattu - ylensyöntiä kun ruoka ei maistu miltään. Krooninen sinuiitti saattaa olla anosmian syynä. Ylähengitysteiden virusinfektiot vastaavat ehkä 25 %:sta anosmioista, mutta useimmat paranevat ennalleen. Myös erilaiset toksiset aineet, esimerkiksi teollisuusympäristössä esiintyvät orgaaniset aineet, saattavat aiheuttaa anosmian joka voi jäädä pysyväksi. Matalatkin ilman kadmiumpitoisuudet osoitettiin eräässä tutkimuksessa johtavan anosmiaan. Samoin lääkehoito saattaa tilapäisesti tai pysyvämmin muuttaa hajuaistia, joskin on usein vaikea tietää mikä on hoidon ja mikä alla olevan sairauden osuus. Yhdysvalloissa on ollut oikeustapauksia, joissa on pohdittu sinkkipitoisten nuhatippojen osuutta anosmian synnyssä. On mahdollista, että ionikanaviin vaikuttavat lääkeaineet voivat muuttaa hajuaistinkin toimintaa. Huonontunut hajuaistin herkkyys johtaa luonnollisesti vaaratilanteisiin, koska potilas ei enää tunne ärsyttäviä hajuja eikä osaa suojautua niiltä.

Aksessorinen hajuaisti ja hajuelämys

Varsinaisen hajuaistin lisäksi nenässä toimii myös kolmoishermoon viestittäviä reseptoreita, jotka voivat lisätä hajuun esimerkiksi kylmän, kuuman tai ärsytyksen elementtejä. Hajuelämys ei siis perustu puhtaasti hajuaistin toimintaan.

Hajuepiteelin vieressä nenän keskiosan limakalvolla sijaitsee ns. vomeronasaalielin (VNO). Tätä kutsutaan myös aksessooriseksi hajuaistiksi. Se muodostaa eläimillä keskeisen yksilöiden välisen viestintäkanavan, jolla ohjataan mm. sukupuolista hakutoimintaa. Yksilöstä toiseen siirtyvät aineet kutsutaan feromoneiksi (kreikan ferein, viedä). VNO-epiteelistä löytyy kahdenlaisia reseptoreita: V1- ja jyrsijöillä myös V2-reseptorit. Eläimillä VNO:n reseptorien impulssit viestitetään hajukäämin yhdelle alueelle, josta ne synapsoituaan kulkevat ns. aksessooriseen hajukuoreen ja edelleen mantelitumakkeeseen. Vaikka ihmiselläkin on VNO:ssa V1-reseptoreita, ei ole osoitettu niillä olevan yhteyksiä aivoihin. Tällä erää ei siis ole mitään todisteita VNO:n kautta toimivien feromonien toimivuudesta ihmisellä. Sukupuoliseen hakutoimintaa liittyviä hajuja voi toki vaikuttaa normaalin hajuepiteelin kautta. 1990-luvun puolivälissä julkaistiin koe, jossa naiset joutuivat valitsemaan miellyttävän miespartnerin käytettyjen T-paitojen hajun perusteella. Naiset pitivät yleensä miellyttävänhajuisena miestä, jonka histokompatibiliteettikompleksi MHC poikkesi heidän omastaan. Tällainen valintaperuste saattaisi edistää geneettistä moninaisuutta.