Joost van Wijk, 9878971

mei, 2000

Neurale codering

van

smaakinformatie

Van: D.V. Smith & S.J. St. John

Inhoud

· I Inleiding

· II Smaakzintuiglijke …………..neuron-typen:

gevoeligheid voor amiloride

· III ‘Afferente zenuw …………..patronen’

versus ‘labeled lines’

· IV Een dynamische …………..code

· V Onderscheid …………tegenover voorkeur

· VI ‘Routing’ van ………….smaakinformatie

· VII Conclusies

I Inleiding

Als we eten, krijgen we veel verschillende stoffen binnen, die ook op hun beurt op verschillende manieren te herkennen moeten zijn.

Het herkennen van de stoffen, die we tot ons nemen via de mond, vindt als eerste plaats via de tong. Op dit orgaan zitten verschillende smaakreceptoren, die ons helpen een bepaalde smaak te definiëren.

Het is van belang te weten via welke weg het chemische signaal van de smaak wordt overgebracht naar een electrisch signaal in de hersenen, om een beter inzicht in de informatie-overdracht van een extern signaal naar de hersenen te krijgen. Dit is een van de eerste onderdelen die bestudeerd dient te worden in de neurologie, omdat men toch eerst moet weten hoe en waar externe signalen aan de hersenen worden gepresenteerd, alvorens er verder geavanceerd onderzoek wordt gedaan aan de hersenen.

Met het oog hierop is er veel verschillend onderzoek gedaan naar hoe de neurale codering van smaakinformatie plaatsvindt. Er zijn een aantal controversies, maar die beginnen zich steeds meer op te lossen, omdat door onderzoek meer en meer duidelijk begint te worden hoe deze codering daadwerkelijk werkt.

Het is bekend dat het chemische signaal door transductie op de receptorcel (een gemodificeerde epitheelcel) wordt omgezet in een bruikbaar signaal: een signaal dat verder zijn weg kan vervolgen via zenuwen; een electrisch signaal dus. In de hersenen zullen verschillende signalen voor een bepaalde smaaksensatie zorgen.

De manier echter waarop het signaal of de signalen die smaaksensatie uitlokken staat nog ter discussie. De vraag is voornamelijk of de informatie wordt doorgegeven via een speciale patroon-codering door afferente neuronen, of dat er sprake is van zogenaamde ‘labeled lines’, dat wil zeggen: specifieke zenuwen voor een bepaalde sensatie (bv zoet).

Smaak neuronen zijn breed afgesteld, omdat ze naast kwaliteit en intensiteit van een bepaalde stof, ook druk en temperatuur moeten waarnemen; tevens geven deze neuronen informatie over de ‘genots-waarde’.

Zelfs als individuele cellen lijken te reageren op maar een type stimulus, blijkt uit een enorme hoeveelheid data uit perifere zenuwvezels, dat ze waarschijnlijk op meer dan een stimulus reageren.

Dit alles zorgt ervoor dat men aanneemt dat een enkele smaakneuron bijdraagt aan de codering van meerdere soorten stimuli, waardoor niet de respons van een cel, maar de combinatie van responsen van verschillende cellen belangrijk is voor de uiteindelijk waarneming in de hersenen. Ookal is er sprake van redelijke specifieke smaakneuronen, dan nog komen ze bijeen op cellen in de hersenen, waar de centrale neuronen zelf breder zijn afgesteld.

Het maakt dus weinig uit hoe de stimuli worden getransduceerd en verwerkt op het receptorcel-niveau, de activiteit van de afferente neuronen in de hersenen is uiteindelijk echter zeer belangrijk voor de codering van smaakinformatie.

In het vakgebied van de fysiologie van de smaak is lange tijd geprobeerd uit te vinden hoe bepaalde smaakkwaliteiten (zoet, zuur, zout en bitter) werden gecodeerd.

Omdat er echter sprake was van een gebrek aan specificiteit van de afferente neuronen (die naar de hersenen gaan), leidde dit tot de gedachte dat de codering van deze smaakkwaliteiten misschien wel via bepaalde patronen, gevormd door meerdere neuronen, bepaald werd.

Dit werd nog eens bevestigd door onderzoeken, waaruit bleek dat stimuli, waarop dieren eenzelfde reactie vertonen als de mens (bijv. bij hoge zuurgraad: afkeer), ook eenzelfde patroon teweeg brachten bij de afferente vezels. Ook bleek dat stimuli welke bij een dier een andere reactie uitlokten dan bij de mens, zorgden voor ongelijke patronen.

Neurofysiologische studies hebben nu aangetoond dat smaakneuronen gegroepeerd kunnen worden in een paar breed afgestelde neuron-typen. Deze neuron-typen, geïdentificeerd door de stimulus waarop de cellen het best reageren, zijn aangewezen als basis van de ‘labeled line’ codering van smaak informatie, waarin de activiteit van een enkele neuron een unieke smaakkwaliteit vertegenwoordigt.

Deze suggestie heeft tot een aanhoudend meningsverschil geleid over of neuron-typen nou echt bestaan en of smaakkwaliteiten gecodeerd worden door ‘afferente vezel patronen’ of door ‘labeled lines’.

II Smaakzintuiglijke neuron-typen: gevoeligheid voor amiloride

Een van de belangrijkste argumenten tegen het bestaan van neuron-typen, is dat elke onderzoeker wel een schema kan opstellen, wat kan resulteren in neurale groepen. Het bestaan van neuron-typen wordt pas echt bewezen, wanneer er aan onafhankelijke criteria wordt getoetst.

Dus om het neuron-typen idee te toetsen moeten er proeven worden gedaan, bijvoorbeeld het testen van de neuron-typen op gevoeligheid voor amiloride.

Bij de natrium-transductie zijn kanalen betrokken, die gevoelig zijn voor amiloride: als er amiloride wordt toegevoegd, zorgt dit ervoor dat er inhibitie van de natrium-respons optreedt. Dit vindt voornamelijk plaats bij cellen die het best op NaCl reageren: de NaCl-beste cellen; daar vindt de meeste inhibitie plaats. Deze scheiding zet zich voort in de NaCl-beste cellen van de kern van de solitary tract (NST).

De NaCl-beste cellen kunnen ook op zuren reageren, maar als daar amiloride wordt toegevoegd, is ook daar van inhibitie van de zuur-respons sprake. Echter wanneer ditzelfde amiloride aan zuur-beste neuronen wordt toegevoegd, vindt er geen inhibitie plaats van de zuurrespons. Amiloride zorgt dus specifiek voor de 'uitschakeling' van NaCl-beste cellen.

Dus deze scherpe scheiding van amiloride gevoelige input op verschillende afzonderlijke neurale elementen, ondersteunen de manier van neuron classificeren in neuron-typen.

Het verschillend reageren van de VIIe en de IXe zenuwvezel op natrium zouten heeft waarschijnlijk te maken met de verschillende verdeling van amiloride gevoelige receptoren.

Gebleken is dat de voorzijde van de tong (fungiform en palataal) meer gevoelig is voor amiloride inhibitie van de NaCl respons dan het achterste deel van de tong (vallate en folliate). Deze data ondersteunen de veronderstelling dat amiloride gevoelige input noodzakelijk is voor het coderen van de smaak van natrium-zouten.

Dit wordt ook duidelijk uit het volgende: als men de toegediende zouten besmet met amiloride, dan zal er geen kwalitatief onderscheid meer zijn tussen NaCl en KCl; hetzelfde gebeurt als de Chorda Tympani beschadigd, maar de IXe zenuwvezel niet: geen onderscheid meer tussen NaCl en KCl.

Deze amiloride gevoelige input is echter niet per definitie gerelateerd aan of natrium-zouten worden geprefereerd of vermeden. De Fischer 344 rat heeft bijvoorbeeld een groot amiloride component, waardoor hij eigenlijk moeite zou moeten hebben met het onderscheiden van NaCl van KCl; hier is echter geen sprake van, omdat hij NaCl bij alle concentraties vermijdt, ookal is er amiloride toegdiend.

Dit duidt er dus op dat in de Fischer 344 rat het verschil in amiloride gevoeligheid niet de oorzaak is van de vermijding van NaCl.

Ook voor bepaalde muisstammen bleek het geen verschil te maken voor de CT-respons op NaCl, of er amiloride werd toegediend.

Er is dus geen duidelijke relatie tussen amiloride-gevoelige activiteit in NaCl-beste neuronen en voorkeursgedrag, omdat soms het toedienen van amiloride gewoonweg niets uitmaakt. Bij sommige stammen is er wel sprake van een duidelijk effect van amiloride op bepaalde soorten neuronen, waardoor je zou kunnen spreken van een neuron-type, maar omdat dit niet bij alle diersoorten of zelfs stammen van soorten het geval is, kan er niet gesproken worden van een algemeen principe.

III ‘Afferente zenuw patronen’ versus ‘labeled lines’ : de rol van neuron-typen in smaakcodering.

Een volgende vraag is of er nu sprake kan zijn van speciale ‘labeled line’ voor een bepaalde smaakkwaliteit, die dus een specifiek signaal stuurt naar de hersenen en die op zichzelf voldoende informatie geeft over de kwaliteit; of dat er sprake is van een ‘afferent zenuw patroon’, waarbij een aantal verschillende neuronen een patroon veroorzaakt, wat de kwaliteit van de smaak dan weergeeft.

Er zijn een aantal factoren, die in ogenschouw genomen dienen te worden over hoe de smaak informatie wordt gecodeerd.

Als eerste blijken smaakneuronen specifiek op de ene concentratie en breed afgesteld op de andere concentratie te zijn; dus bijvoorbeeld bij hoge concentraties breed, zodat er niet echt sprake is van specifieke herkenning van een smaakkwaliteit en bij lage concentraties meer specifiek.

Als tweede zijn de claims gebaseerd op de activiteit van de receptorcellen of van de perifere neuronen op zijn minst incompleet, omdat de perifere smaakzenuwen samenkomen op neuronen in de hersenstam, welke breed afgesteld zijn. Dat wil zeggen dat de neuronen daar minder specifiek zijn voor bepaalde stimuli, ook is er sprake dat in de hersenen signalen uit andere delen van de hersenen voor verandering van de smaakinformatie zorgen (bijvoorbeeld informatie uit de neus). De synaptische verwerking door de centrale smaak-route heen geeft vorm en verandert de smaakinformatie.

Als derde is de definitie van ‘labeled line’ dat de activiteit in een neuron zowel noodzakelijk als vodoende is om een bepaalde smaakkwaliteit te coderen. Hoewel verschillende studies hebben aangetoond dat een neurontype noodzakelijk is om een bepaalde smaakkwaliteit te coderen (bijv.: NaCl beste cellen), heeft geen enkele studie aangetoond dat een neurontype an sich voldoende is om de smaakkwaliteit te onderscheiden van anderen.

Smaakneuronen moeten naast smaak ook andere fysieke gebeurtenissen waar kunnen nemen, zoals warmte en druk; al deze informatie kan met een beperkt aantal neuronen worden vertegenwoordigd. Deze neuronen moeten dan echter wel breed afgesteld zijn en moeten deel nemen aan een codering voor meer dan een parameter. Er ontstaan dan dus patronen van activiteit van verschillende afferente neuronen, die elk voor een deel bijdragen aan de uiteindelijke codering van een bepaalde smaakkwaliteit.

In een recente publicatie over de neurale verwerking van de smaak van natrium, is gebleken dat de natrium-beste cellen noodzakelijk waren voor het onderscheid tussen NaCl en KCl, maar dat de NaCl-beste cellen niet op zichzelf voldoende waren om natrium zouten te detecteren. Ook hier kan dus geen sprake zijn van een ‘labeled line’ voor de herkenning van natrium zouten: er zijn meer factoren nodig, dan alleen de natrium-beste cellen. Gebleken is dat o.a. HCl-beste cellen noodzakelijk zijn voor de onderscheiding tussen natrium- , niet-natrium- zouten en zuren: natrium-zouten zorgen voor meer activiteit in NaCl-beste cellen en niet-natrium-zouten en zuren voor een hogere activiteit in HCl-beste cellen.

Er kan nu dus gezegd worden dat er wel speciale neuron-typen zijn (die het beste reageren op een bepaalde smaakkwaliteit) en dat deze domineren in een patroon van verschillende afferente neuronen, maar dus niet dat ze een ‘labeled line’ vormen. Er kan geen sprake zijn van een’labeled line’, omdat de informatie afkomstig uit die neuron-typen alleen bruikbaar wordt in combinatie met informatie uit andere neuronen.

Als men toch persé van een ‘labeled line’ wil spreken zouden de sucrose-beste neuronen als een voorbeeld kunnen dienen: vooral bij chimpansees zijn deze neuronen zeer nauw afgesteld. Hoewel dit overtuigend zou kunnen zijn voor ondersteuning van de ‘labeled line’ hypothese, is dit geen bewijs, omdat het onderzoek alleen maar gedaan is bij een concentratie; als er hogere concentraties worden genomen (wat vooral bij de mens, wat suiker betreft, van toepassing is) zal er waarschijnlijk sprake zijn van een meer brede afstelling van voornoemde neuronen.

IV Een dynamische code: verandering van smaak activiteit door inhibitie

Wanneer de smaakneuronen bijeenkomen op de neuronen van de Nucleus of the Solitary Tract, dan zal daar een bredere afstelling van ze plaatsvinden.

Als een stimulus eenmaal is opgewekt en via neuronen getransporteerd wordt naar de hersenen, zal het daar nog onderhevig zijn aan vele veranderingen.

Een aantal factoren zijn reeds aangetoond: de activiteit wordt geremd door zwelling van de maag, verhoging van de insuline-concentratie zorgt voor verminderde respons op suiker, ook een verhoging van het glucose-gehalte in het bloed zorgt voor een verminderde respons op suiker, en aangeleerde weerstand. De activiteit van de neuronen in de NST wordt geremd door de stof GABA. De remming door GABA is recentelijk ook in andere delen van de hersenen van ratten ontdekt.

De activiteit van de smaakneuronen is dus niet alleen afhankelijk van de smaakkwaliteit, maar ook van andere fysiologische factoren, die niet constant zijn, maar erg dynamisch en dus constant kunnen verschillen. Ze kunnen onder andere dus inhibitie van de stimulus veroorzaken, waardoor een bepaalde smaak minder goede wordt waargenomen, of ze kunnen zelfs zorgen voor een toegenomen waarneming van smaak: wanneer de inhibitie juist wordt opgeheven.

Een voorbeeld hiervan is de studie van Yanagisawa et al.: als er verdoving van de CT zenuw plaatsvindt, dan leidt dit ertoe dat de sensatie, veroorzaakt door quinine (bitter), meer wordt waargenomen. Een hypothese van de schrijvers is, dat door uitschakeling van de CT zenuw, ook de inhibitie van de IXe zenuw wordt opgeheven, waardoor de smaakkwaliteit van quinine meer wordt waargenomen. Vreemd is echter, dat uit recent dier onderzoek is gebleken, dat wanneer de CT zenuw in zijn geheel wordt doorgesneden, er niet zo’n effect optreedt. Ook zorgt een verdoving van de CT zenuw niet voor een fysiologisch toegenomen activiteit.

Men weet echter niet wat voor effect het doorsnijden van de CT zenuw heeft op de mens, deze proef kan echter niet makkelijk worden uitgevoerd. Daarom is er geen conclusie te verbinden aan deze resultaten: soortverschillen (tussen mens en rat) en andere factoren kunnen de oorzaak zijn van deze resultaten.

V Onderscheid tegenover voorkeur

Als de CT zenuw in ratten wordt doorgesneden, is er duidlijk te merken dat er geen onderscheid meer gemaakt wordt tussen KCl en NaCl, wanneer echter de IXe zenuw wordt doorsneden en de CT zenuw niet, dan heeft dit geen effect op de mate van onderscheiding van de twee stoffen.

Ditzelfde gaat op voor de onderscheiding tussen quinine en KCl: als de CT zenuw wordt doorsneden, vindt er geen onderscheid meer plaats. Als de IXe zenuw wordt doorgesneden heeft het ook hier geen effect voor het onderscheid van quinine en KCl, wat toch best vreemd is, omdat quinine vooral responsen ontlokt bij de IXe zenuw.

Hoewel de IXe zenuw dan blijkbaar geen onderscheid maakt, speelt deze zenuw wel een grote rol in het vermijden van quinine en andere stoffen; hieruit werd geconcludeerd dat de CT zenuw en de IXe zenuw op een verschillende manier bijdragen aan smaakonderscheid en voorkeur.

Uit recente publicaties blijkt, dat neurale responsen in sommige delen van de hersenen meer samenhangen met de genotswaarde van de stimuli dan met de kwaliteit. Uiteindelijk is bekend geworden, dat stimuli schijnen te worden gepresenteerd in de centrale kern van de amygdala, via zogenaamde ‘genots-routes’.

VI ‘Routing’ van smaakinformatie

Smaakinformatie komt het NST (nucleus of the solitary tract) eerst binnen via de VIIe (CT en GSP) vezel en de IXe vezel. Een aantal cellen gaan vandaar naar de Parabrachiale Nuclei (PbN), vanwaar een tweetal grote routes verder gaan: de ene via de smaak-thalamus naar de cortex (de lemniscale route) en de andere naar de amygdala/hypothalamus en andere limbische structuren (de ventrale voorhersenen route).

Uit recent onderzoek is gebleken dat wanneer er beschadiging optreedt van de smaak-thalamus, dit geen consequenties heeft voor de emotionele beleving van smaak (“lekker”), als er echter de ventrale voorhersenen beschadigd raken, heeft dit duidelijk gevolgen: verminderde emotionele respons op smaakstoffen.

Dit duidt er dus op dat de emotionele beleving van smaak plaatsvindt in de ventrale voorhersenen en onderscheid van verschillende smaakstoffen via de lemniscale route.

Uit voorgaande is gebleken dat de IXe zenuw wel betrokken was bij de vermijding van een bepaalde smaak (quinine), maar geen rol speelde bij het onderscheid.

Daarom zou men kunnen denken, dat het emotionele gedeelte van de smaakverwerking (de voorhersenen) vooral geinerveerd worden door subdivisies die uiteindelijk verbonden zijn met de IXe zenuw.

VII Conclusies

Dit onderzoek is voornamelijk gedaan om de smaak-verwerking van mensen beter te begrijpen, daarom zijn er verschillende publicaties en studies bestudeerd en daaruit kunnen een aantal conclusies, die hieronder staan, getrokken worden.

Zoals duidelijk is geworden, is de eerste schakel in de smaak-route de receptorcel, deze cel kan op verschillende stimuli reageren.

De vraag was of er sprake kan zijn van neuron-typen; dat er neuron-typen zijn kan gedeeltelijk beaamd worden, omdat sommige neuronen beter reageren op stimuli van NaCl dan bijvoorbeeld die van KCl. We spreken dan ook liever van NaCl-beste neuronen. Zo’n neuron kan echter niet op zichzelf goed NaCl onderscheiden, daarom kan de hypothese van de ‘labeled lines’ moeilijk stand houden; voor de onderscheiding van NaCl van andere stoffen zijn meerdere verschillende neuronen nodig, waardoor er sprake is van een bepaald patroon wat ontstaat bij stimulering van de neuronen door een bepaalde smaakstof.

De hypothese van het bestaan van afferente zenuw patroon wordt dus met deze vergelijkende studie gesterkt.

Deze patronen zeggen op zich verder nog niet alles over de werkelijke waarneming van een bepaalde smaak-kwaliteit, dit komt onder andere, doordat het signaal in de hogere delen van de hersenen nog verder verwerkt wordt en er invloeden van andere delen van de hersenen zijn; een goed voorbeeld is de bijdrage van de neus aan de waarneming van een bepaalde smaak in de mond.

Verder kan ook geconcludeerd worden dat in hogere delen van de hersenen de VIIe (vooral CT) en IXe zenuw verschillend invloed hebben op de smaakbeleving: de VIIe vezel voornamelijk onderscheid tussen verschillende smaakstoffen en de IXe vezel bedient voornamelijk de emotionele kant van de smaak-perceptie.

Het begrijpen van de verwerking van smaak voor mensen wordt ook nog eens moeilijk gemaakt, doordat veel proeven op dieren moesten worden uitgevoerd; omdat we weinig weten van de verwerking van smaak, is het ook niet duidelijk of er een totale vergelijking tussen de mensen en de dieren mogelijk is. Op sommige vlakken zal dit zeker zo zijn, maar willen we echt meer te weten komen over hoe het proces in de mens werkt, dan zal men eerst de psychofysiek van dieren en mens verder dienen te onderzoeken door de centrale organisatie en fysiologie van het smaaksysteem te bestuderen.

Bijlage: Referenties

· Physiology 4^th edition, Chapter 11, R.M. Berne et al.

· Practicum klapper ‘Functionele Histologie’, R.B. de Heus

· Klapper ED 214 ‘Algemene Fysiologie’, F.H, Lopes da Silva & J.A. Gorter

· Diverse referentie artikelen/abstracts ervan, waaronder de belangrijksten: ‘The taste of sodium’, ‘Amiloride blocks acid responses in NaCl-best gustatory neurons of the hamster solitary nucleus’, ‘Amiloride disrupts NaCl versus KCl discrimination performance: implications for salt taste coding in rats’, ‘Taste in chimpansees. III: Labeled-line coding in sweet taste’, ‘Anesthesia of the chorda tympani nerve and taste phantoms’, ‘Behavioral discrimination between quinine and KCl is dependent on input from the 7^th cranial nerve: implications for the functional roles of the gustatory nerves in rats’, ‘Effects of chorda tympani nerve anesthesia on taste responses in the NST’.

· ‘Verborgen verleider’, Piet Vroon et al.