Przepyszne ciasto pieczone od lat przez mamę według przepisu przekazywanego z pokolenia na pokolenie, soczyste truskawki zbierane w ciepły czerwcowy wieczór na działce u babci, wreszcie słynne proustowskie magdalenki. Kto z nas nie ma takich wspomnień? Czasem nutka zapachu, pochwycona gdzieś przelotnie, przywołuje obrazy minionych wydarzeń. Fenomen ten nie umknął uwadze naukowców. Badania zmysłu węchu to obecnie dynamicznie rozwijający się nurt z pogranicza psychologii i fizjologii.
Węch, pomimo tego, że ewolucyjnie jest jednym z najstarszych zmysłów, przez bardzo długi czas nie znajdował się w kręgu zainteresowań badaczy. W porównaniu z pracami skupiającymi się na wzroku lub słuchu badań dotyczących odczuwania zapachów wciąż jest stosunkowo niewiele, jednak w ciągu ostatnich lat ta problematyka zaczęła przyciągać uwagę naukowców. Dzięki wykorzystaniu różnych metod badawczych możemy coraz lepiej zrozumieć mechanizmy funkcjonowania węchu.
Stosunkowo dobrze zostały już opisane podstawy fizyczne tego zmysłu. Wiemy więc, w jaki sposób na poziomie komórkowym zapach unoszący się w powietrzu i docierający do naszego nosa przekształcany jest na sygnał elektryczny, który następnie rozprzestrzenia się dalej w neuronach i poprzez aktywację różnych szlaków mózgowych doprowadza w efekcie do stworzenia świadomej percepcji woni. Człowiek, pomimo bycia istotą mikrosmatyczną, to jest taką, dla której bodźce docierające do organizmu drogą zmysłu powonienia nie są kluczowe dla funkcjonowania (w odróżnieniu od zwierząt makrosmatycznych, czyli np. psów, u których informacja zapachowa jest najistotniejszym sposobem eksploracji otoczenia), jest zdolny do rozróżnienia przeciętnie nawet kilku tysięcy zapachów.
Jak zatem badać tak skomplikowane i zróżnicowane indywidualnie procesy? Jakie jeszcze aspekty, powiązania z innymi procesami poznawczymi czy ciekawe zależności odkryli badacze zajmujący się węchem?
Kulisy badań nad węchem
Skomplikowany proces, jakim jest odczuwanie zapachów, można podzielić na trzy składowe: detekcję, identyfikację oraz rozróżnianie zapachów. Pierwsza z nich pozwala na opisanie progu wrażliwości węchowej osoby badanej – przy jakim najniższym stężeniu ktoś jest w stanie stwierdzić, że faktycznie odczuwa dany zapach. Zadania sprawdzające identyfikację zapachów polegają na wskazaniu właściwej nazwy odczuwanej woni (z listy odpowiedzi do wyboru bądź bez podpowiedzi tzn. badany proszony jest o to, aby sam wskazał odpowiednie określenie odnoszące się do odczuwanego zapachu). Ostatni aspekt to dyskryminacja, czyli umiejętność odróżniania od siebie różnych zapachów.
Oprócz prób opisu samego procesu wąchania badacze posunęli się jeszcze dalej – zadając sobie pytanie, co się dzieje w mózgu, kiedy dociera do niego informacja o zapachu? Co jest w tym całym systemie tak niezwykłe, że różne wonie, najczęściej znacznie bardziej złożone niż bodźce z innych modalności zmysłowych, są w stanie tak bardzo angażować nas emocjonalnie?
Dzięki dynamicznemu rozwojowi metod neuroobrazowania wiele z tych pytań doczekało się, przynajmniej częściowych, odpowiedzi. Procesom zachodzącym podczas odczuwania zapachów na poziomie mózgowym próbowano się przyjrzeć, wykorzystując zarówno metodę chemosensorycznych potencjałów wywołanych (ang. chemosensory event-related potential – CSERP), konkretnie węchowych potencjałów wywołanych (ang. olfactory event-related potential – OERP) (Pause, Krauel, 2000), jak i technikę funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (ang. functional magnetic resonance, fMRI). Na podstawie tych badań udało się opisać obszary, które zaangażowane są w przetwarzanie informacji o zapachu. Co więcej, istnieje ścisłe połączenie pomiędzy tymi strukturami a obszarami mózgu, które, jak wiemy, są zaangażowane w rozpoznawanie oraz odczuwanie emocji. To tłumaczy, dlaczego zapachy tak często mają dla nas znaczenie emocjonalne. Skoro już jesteśmy przy emocjach, nie można prac skupiających się na wpływie wartości emocjonalnej zapachu na niektóre wskaźniki psychofizyczne, jak np. elektromiogram oka, rytm serca czy aktywność elektrodermalna, pominąć.
Wymienione powyżej techniki nie wyczerpują wszystkich możliwości, jakie współczesna nauka proponuje badaczom zmysłu węchu. Przejdźmy teraz do tego, co między innymi dzięki opisanym wyżej narzędziom już udało się ustalić.
O węchu w literaturze naukowej
Panuje powszechne przekonanie, iż to kobiety są „lepsze” w odróżnianiu, nazywaniu czy nawet samym wyczuwaniu różnych woni. Badacze, nie pozostając na takie ogólne twierdzenia obojętni, pokusili się o próbę udzielenia odpowiedzi na pytanie o różnice międzypłciowe w odczuwaniu zapachów. Faktycznie wyniki niektórych z licznych badań potwierdzają takie założenie. Bensafi i współpracownicy wykazali, że kobiety w porównaniu z mężczyznami mają co prawda większą wrażliwość węchową, lecz w podobny sposób oceniają intensywność zapachów. Istnieje też cała gałąź badań zajmujących się tym, jak cykl menstruacyjny wpływa na zmysł powonienia u kobiet. Mimo że badania dotyczące tego zagadnienia nie są w pełni spójne, to jednak większość wskazuje na istnienie różnic międzypłciowych w zakresie węchu.
A co ze związkiem przetwarzania informacji zapachowych z lewą lub prawą półkulą? Czy podobnie jak w przypadku innych modalności zmysłowych występują tu jakieś różnice? Z próbą udzielenia odpowiedzi na te pytania spieszą ciekawe badania pokazujące różnice we wrażliwości lewego vs. prawego nozdrza w odpowiedzi na różne zapachy. U większości osób praworęcznych lepsza jest percepcja zapachów przez lewe nozdrze (warto zaznaczyć, że drogi węchowe, w odróżnieniu od większości innych dróg przenoszących informacje zmysłowe, przebiegają ipsilateralnie – to znaczy po tej samej stronie – bodźce dostarczane do lewego nozdrza będą więc transportowane do lewej półkuli), jednak wyniki takie uzyskano w zadaniach wymagających jedynie detekcji zapachów. Nowsze prace, przeprowadzone na znacznie większej grupie osób, nie wykazują związku ręki dominującej z progiem detekcji zapachów w zależności od nozdrza, do którego prezentowany był zapach, jak również różnic w przetwarzaniu na poziomie mózgowym. Wyniki są także niejednoznaczne w przypadku lateralizacji bardziej złożonych procesów związanych z przetwarzaniem zapachów. Co ciekawe, opisano również występowanie zmiany nozdrza dominującego przy oddychaniu, w cyklu dziennym. Jest to kolejny czynnik, który warto kontrolować przy interpretacji wyników badań.
Podsumowując, mimo pewnej rozbieżności w wynikach badań najbardziej prawdopodobne wydaje się, że obie półkule są zaangażowane w przetwarzanie informacji węchowych i dominacja jednej z nich zależy od konkretnego procesu związanego ze zmysłem węchu.
O badaniach węchu w Naukowym Centrum Obrazowania Biomedycznego (NCOB)
Zespół Naukowego Centrum Obrazowania Biomedycznego (NCOB) w Instytucie Fizjologii i Patologii Słuchu w Kajetanach zajął się badaniem neuronalnych korelatów przetwarzania informacji zapachowych. Dzięki specjalnie skonstruowanemu w tym celu urządzeniu (co więcej, dostosowanemu do bezpiecznego używania w polu magnetycznym skanera rezonansu magnetycznego), czyli olfaktometrze, istnieje możliwość dostarczania do osoby badanej, za pomocą długich szczelnych przewodów, różnych zapachów o stałym poziomie intensywności. Podczas badania strumień powietrza przechodzi przez specjalnie dostosowane do potrzeb eksperymentu pojemniczki. W pojemniczkach znajduje się substancja zapachowa, rozpuszczona w określonym stężeniu w bezzapachowym rozpuszczalniku. Następnie przewody rozdzielają się na dwie gałęzie – obie dochodzą do zakończeń wąsów tlenowych, które osoba badana umieszcza w nozdrzach. Jednym z odgałęzień do badanego dociera zapach, a drugim powietrze.
Biorąc pod uwagę specyfikę przebiegu sygnału BOLD (ang. blood-oxygen level dependen), czyli poziomu natlenowania krwi – parametru, jaki mierzony jest podczas badania fMRI, konieczne jest takie zaprojektowanie paradygmatu, aby móc w efekcie porównać dwa stany metaboliczne mózgu – różniące się tylko jednym komponentem poznawczym. W tym przypadku chcieliśmy porównać to, co dzieje się w mózgu, kiedy osoba badana czuje jakichś zapach i kiedy nie czuje nic. Wobec tego paradygmat składał się z dwóch warunków: 4 sekund, podczas których do osoby badanej dostarczany był jeden z dwóch zapachów, oraz 16 sekund, kiedy poprzez przewody olfaktometru płynęło jedynie powietrze.
Olfaktometr będący częścią wyposażenia NCOB umożliwia prezentację do czterech bodźców zapachowych (plus powietrza), jednak na podstawie szczegółowego przeglądu literatury oraz badań pilotażowych i testów behawioralnych zdecydowano się na wykorzystanie dwóch kontrastowych zapachów: kwiatowego oraz zepsutej ryby. Dodatkowo taki wybór zapachów o różnym zabarwieniu emocjonalnym pozwolił na zbadanie kolejnego aspektu – czy są jakieś różnice w przetwarzaniu bodźców zapachowych różniących się walencją na poziomie mózgowym.
W badaniu wzięły udział 24 zdrowe osoby (w tym 6 mężczyzn). Zadanie osoby badanej, leżącej w skanerze, polegało na naciśnięciu przycisku za każdym razem, gdy poczuje zapach. Łącznie procedura trwała około 30 minut.
Uzyskane wyniki pokazują istotną różnicę w stanie aktywacji mózgu w momentach, kiedy osobom badanym prezentowany był zapach, w porównaniu z czystym powietrzem.
Obszary ulegające aktywacji w opisywanym badaniu są spójne z tymi, o których mowa w literaturze. Są to obszary tak zwanej pierwszorzędowej kory węchowej: kora gruszkowata (węchowa) zlokalizowana na brzusznej lub brzuszno-bocznej ścianie półkul mózgowych, w ich przedniej części. Oprócz tego aktywowane zostały obszary takie jak: zakręt czołowy przyśrodkowy (medial frontal gyrus), zakręt przyhipokampowy (parahippocampal gyrus), tylna część zakrętu obręczy (posterior cingulate), przedklinek (precuneus). Co więcej, podczas analizy polegającej na porównaniu stanu metabolicznego mózgu w momentach kiedy prezentowany był zapach brzydki, z chwilami, kiedy badany odczuwał zapach ładny, uzyskano również aktywację ciała migdałowatego, hipokampa oraz wyspy. Wyspa jest obszarem od lat opisywanym w literaturze przedmiotu jako region przetwarzania informacji wiążących się z obrzydzeniem, wstrętem, jak również zaangażowanym w przetwarzanie różnych właściwości zapachów. Ciało migdałowate natomiast ulega silnemu pobudzeniu w sytuacjach angażujących emocjonalnie.
Wstępne wyniki badań zespołu NCOB są więc spójne z dostępną literaturą światową na temat zapachów. Udało się stworzyć i dopracować efektywny paradygmat pozwalający na aktywację struktur mózgowych zaangażowanych w przetwarzanie bodźców zapachowych. Jest to pierwszy krok otwierający przed Światowym Centrum Słuchu nowe możliwości dotyczące badań zmysłu węchu oraz prób udzielenia odpowiedzi na wiele pytań. Również zespół z NCOB nie powiedział jeszcze w temacie badań zapachowych ostatniego słowa.
Bibliografia:
Bensafi, M., Rouby, C., Farget, V., Vigouroux, M., & Holley, A. (2002). Asymmetry of pleasant vs. unpleasant odor processing during affective judgment in humans. Neuroscience letters, 328(3), 309-313.
Brand, G., Millot, J. L., & Henquell, D. (2001). Complexity of olfactory lateralization processes revealed by functional imaging: a review. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 25(2), 159-166.
Czerniawska, E., & Czerniawska-Far, J. M. (2007). Psychologia węchu i pamięci węchowej. Wydawnictwa Akademickie i Profesjonalne.
Ehrlichman, H., Brown, S., Zhu, J., & Warrenburg, S. (1995). Startle reflex modulation during exposure to pleasant and unpleasant odors. Psychophysiology, 32(2), 150-154.
Lorig, T. S., Zald, D. H., & Pardo, J. V. (1999). A computer-controlled olfactometer for fMRI and electrophysiological studies of olfaction. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers, 31(2), 370-375.
Lübke, K., Gottschlich, M., Gerber, J., Pause, B. M., & Hummel, T. (2012). No effects of handedness on passive processing of olfactory stimuli: an fMRI study. Chemosensory Perception, 5(1), 22-26.
Miltner, W., Matjak, M., Braun, C., Diekmann, H., & Brody, S. (1994). Emotional qualities of odors and their influence on the startle reflex in humans. Psychophysiology, 31(1), 107-110.
Møller, P., & Dijksterhuis, G. (2003). Differential human electrodermal responses to odours. Neuroscience letters, 346(3), 129-132.
Mydlikowska-Śmigórska, A., & Śmigórski, K. (2016). Neuroanatomical and neurophysiological foundations of the human olfactory system. Neuropsychiatria i Neuropsychologia/Neuropsychiatry and Neuropsychology, 11(4), 125-134.
Nováková, L. M., Havlíček, J., & Roberts, S. C. (2014). Olfactory processing and odor specificity: a meta-analysis of menstrual cycle variation in olfactory sensitivity. AnthropologicAl review, 77(3), 331-345.
Pause, B. M., & Krauel, K. (2000). Chemosensory event-related potentials (CSERP) as a key to the psychology of odors. International Journal of Psychophysiology, 36(2), 105-122.
Philpott, C. M., Bennett, A., & Murty, G. E. (2008). A brief history of olfaction and olfactometry. The Journal of Laryngology & Otology, 122(7), 657-662.
Wetter, S., & Murphy, C. (2003). A paradigm for measuring the olfactory event-related potential in the clinic. International journal of psychophysiology, 49(1), 57-65.
Wiesmann, M., Kettenmann, B., Kobal, G., Taylor, A., & Roberts, D. (2004). Functional magnetic resonance imaging of human olfaction. Flavor perception. Oxford: Blackwell, 203-27.