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Las sustancias odoríferas penetran en la porción anterior de las vías nasales durante la inspiración y el olfateo activo, y llegan a la zona retronasal (nasofaringe) durante la deglución. Después de alcanzar las regiones más altas de la cavidad nasal, se disuelven en el moco olfatorio y se difunden o transportan por proteínas especializadas a los receptores en los cilios de las células receptoras olfatorias. Cilios, dendritas, cuerpos celulares y segmentos proximales de los axones de estas células bipolares se hallan dentro de un neuroepitelio especializado que cubre la lámina cribiforme, la parte superior del tabique nasal, el cornete superior y los sectores del cornete medio (fig. 29-1). En los cilios de las células receptoras se expresan cerca de 400 tipos de receptores de olor acoplados a proteína G (GPCR, G-protein-coupled odor receptors), pero en una célula particular sólo se expresa un tipo de ellos. Otros más, incluidos los que corresponden a las aminas minoritarias y miembros de la familia del dominio 4 transmembrana distinto de GPCR, es decir, la subfamilia A (MS4A) de proteínas, aparecen también en algunas células receptoras. Dicha abundancia de células receptoras no existe en ningún otro sistema sensitivo. Cuando se dañan, las células receptoras pueden reponerse con células madre cercanas a la membrana basal. Por desgracia, a menudo esta sustitución es incompleta.
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Después de confluir en haces rodeados de células similares a las gliales que forman una vaina (llamadas hilos), los axones de las células receptoras pasan a través de la lámina cribiforme hasta los bulbos olfatorios, donde hacen sinapsis con las dendritas de otros tipos celulares dentro de los glomérulos (fig. 29-2). Estas estructuras esféricas, que conforman una capa distintiva del bulbo olfatorio, son sitios de convergencia de la información, ya que entran muchas más fibras de las que salen. Las células receptoras que expresan el mismo tipo de receptor se proyectan en los mismos glomérulos, lo cual hace que cada glomérulo sea una unidad funcional. Las neuronas de proyección principales del aparato olfatorio, las células mitrales y las células en penacho emiten dendritas primarias a los glomérulos que se conectan no sólo con los axones de las células receptoras entrantes, sino con las dendritas de las células periglomerulares. La actividad de las células mitrales y en penacho la modulan las células periglomerulares, las dendritas secundarias de otras células mitrales o en penacho y las células granulares, las más abundantes en el bulbo. Estas últimas células, cuyo transmisor principal es el ácido γ-aminobutírico (GABA, gamma–aminobutyric acid), reciben señales de estructuras cerebrales centrales y modulan las señales eferentes de las células mitrales y en penacho. Resulta interesante que, al igual que las células receptoras olfatorias, algunas células del bulbo pueden sustituirse. Por tanto, los neuroblastos formados dentro de la zona subventricular anterior del cerebro se desplazan por la corriente migratoria rostral y al final se convierten en células granulares y periglomerulares.
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Los axones de las células mitrales y en penacho hacen sinapsis dentro de la corteza olfatoria secundaria que comprende en buena proporción la corteza olfatoria primaria (POC, primary olfactory cortex) (fig. 29-3). La POC se define como el conjunto de estructuras corticales que reciben proyecciones directas del bulbo olfatorio, en especial de las cortezas piriforme y entorrinal. Aunque la olfacción es singular dado que sus proyecciones aferentes iniciales evitan el paso por el tálamo, las personas con daño talámico pueden sufrir deficiencias olfatorias, sobre todo para la identificación de olores. Es posible que estos déficits reflejen la afectación de conexiones talámicas entre las cortezas olfatoria primaria y orbitofrontal, en las que se produce la identificación de los olores. Los estrechos vínculos anatómicos entre el aparato olfatorio y la amígdala, el hipocampo y el hipotálamo ayudan a explicar las relaciones esenciales entre la percepción del olor y las funciones cognitivas, como memoria, motivación, excitación, actividad autónoma, digestión y sexo.
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Los saborizantes se perciben en células receptoras especializadas situadas en las papilas gustativas: pequeñas estructuras segmentadas parecidas a toronjas en los bordes laterales y el dorso de la lengua, el techo de la boca, la faringe, la laringe y la parte superior del esófago (fig. 29-4). Las papilas gustativas linguales se hallan dentro de protuberancias bien definidas llamadas papilas fungiformes, foliadas y circunvaladas. Después de disolverse en un líquido, los saborizantes entran por la abertura de la papila gustativa, el poro gustativo, y se unen con receptores en las microvellosidades, pequeñas extensiones de las células receptoras dentro de cada papila gustativa. Esta unión cambia el potencial eléctrico de la célula gustativa, lo cual induce la liberación de neurotransmisor hacia las neuronas gustativas de primer orden. Aunque los seres humanos tienen ~7 500 papilas gustativas, no todas contienen células sensibles a los sabores; algunas sólo contienen una clase de receptor (p. ej., células reactivas sólo a azúcares), mientras que otras poseen células sensibles a más de una clase. El número de células receptoras gustativas por papila varía desde cero hasta muchas más de 100. Una pequeña familia de tres receptores acoplados a la proteína G (GPCR, G-protein-coupled receptors) (T1R1, T1R2 y T1R3) media las sensaciones gustativas dulce y sabroso. En contraste, las sensaciones amargas dependen de los receptores T2R, una familia de ~30 GPCR expresada en células distintas de las que expresan los receptores para dulce y sabroso. Los receptores T2R perciben una amplia variedad de sustancias amargas, pero no distinguen entre ellas. Los saborizantes ácidos se perciben en el receptor PKD2L1, un miembro de la familia de la proteína de potencial de receptor transitorio (TRP, transient receptor potential). La percepción de las sensaciones saladas, como las que induce el cloruro de sodio, se originan por la entrada de iones Na+ a las células a través de conductos especializados en la membrana, como el conducto de Na+ sensible a amilorida.
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En estudios recientes se observó que los receptores encargados de los sabores amargo y dulce también aparecían en otros sitios, de modo predominante en el aparato digestivo y las vías respiratorias. Este importante descubrimiento generalizó el concepto de quimiorrecepción vinculada con el gusto a zonas del cuerpo fuera de la boca y la faringe, con una subunidad α de proteína G específica del gusto, la denominada gustoducina α, expresada en las llamadas células en cepillo que aparecen de manera específica dentro de la tráquea, el pulmón, el páncreas y la vesícula biliar. Las células en cepillo poseen abundante sintasa de óxido nítrico (NO), conocida por defender contra microorganismos xenobióticos, proteger a la mucosa de lesiones inducidas por ácido y, en el caso del tubo digestivo, estimular las neuronas aferentes vagales y esplácnicas. Más aún, el óxido nítrico actúa en células cercanas que incluyen las enteroendocrinas, las del epitelio de absorción o secretor, los vasos de la mucosa y las células del sistema inmunitario. En el tubo digestivo y en líneas de células enteroendocrinas se han identificado miembros de la familia T2R de receptores de lo amargo y de receptores de lo dulce de la familia T1R. En algunos casos, tales receptores son importantes para el metabolismo, en el que los receptores T1R3 y la gustoducina intervienen decisivamente en la percepción y transporte de azúcares y alimentos desde el interior del intestino hasta los enterocitos encargados de la absorción a través de un transportador de glucosa dependiente de sodio, y en la regulación de la liberación hormonal desde células enteroendocrinas intestinales. En otros casos, dichos receptores pueden ser importantes para la protección de las vías respiratorias; hay diversos receptores T2R de lo amargo en los cilios móviles de estas vías en personas que reaccionan a compuestos amargos con incremento de la frecuencia de sus pulsaciones. Un receptor específico T2R38 del gusto se expresa en el epitelio de las vías respiratorias altas de individuos que reaccionan a las moléculas de lactona de acilmonoserina sensibles a cuórum secretadas por Pseudomonas aeruginosa y otras bacterias gramnegativas. Las diferencias en la funcionalidad de T2R38, en nexo con el genotipo TAS2R38, guardan relación con la susceptibilidad a infecciones de las vías respiratorias superiores.
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La información gustativa se transmite al cerebro a través de tres pares craneales (CN, cranial nerves): el CN VII (nervio facial, que incluye al nervio intermedio y sus ramas, los nervios petroso mayor y la cuerda del tímpano); el CN IX (nervio glosofaríngeo) y el CN X (nervio vago) (fig. 29-5). El CN VII inerva la parte anterior de la lengua y todo el paladar blando, el CN IX la parte posterior de la lengua y el CN X la superficie laríngea de la epiglotis, la laringe y la porción proximal del esófago. La rama mandibular del CN V (V3) transmite información somatosensitiva (p. ej., tacto, ardor, enfriamiento, irritación) al cerebro. Aunque en términos técnicos no es un nervio gustativo, el CN V comparte vías nerviosas primarias con muchas de las fibras nerviosas gustativas y agrega las sensaciones de temperatura, textura, acritud y carácter condimentado a la experiencia gustativa. El nervio cuerda del tímpano es notable por su trayecto recurrente por el conducto facial en la porción petrosa del hueso temporal; dicho nervio pasa por el oído medio, luego sale del cráneo por la fisura petrotimpánica, donde se une con el nervio lingual (ramas del CN V) cerca de la lengua. Este nervio también lleva fibras parasimpáticas a las glándulas submandibular y sublingual, mientras que el nervio petroso mayor inerva a las glándulas palatinas, lo cual influye en la producción de saliva.
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Los axones de las células de proyección que hacen sinapsis con las papilas gustativas entran en la porción rostral del núcleo del haz solitario (NTS, nucleus of the solitary tract) dentro del bulbo raquídeo del tallo encefálico (fig. 29-5). Desde el NTS, las neuronas se proyectan a una división del núcleo talámico ventroposteromedial a través del lemnisco medio. Desde ahí se emiten proyecciones a la parte rostral del opérculo frontal y la ínsula adyacente, una región cerebral considerada la corteza gustativa primaria. Las proyecciones de esta última se dirigen luego hacia la corteza gustativa secundaria, que es la corteza orbitofrontal caudolateral. Esta región cerebral participa en la identificación consciente de las cualidades gustativas. Además, como contiene células que se activan por varias modalidades sensitivas, es probable que sea un centro para establecer el "sabor".