เซลล์รับกลิ่น

โครงสร้างและการทำงาน

มนุษย์มีเซลล์ประสาทรับกลิ่นประมาณ 12 ล้านตัว ซึ่งจะเปลี่ยนทุก ๆ 30-60 วันทดแทนด้วยเซลล์ต้นกำเนิดชั้นฐาน (basal stem cell) ที่พัฒนากลายเป็นเซลล์ประสาทรับกลิ่น เทียบกับหนูที่มี 15 ล้านตัว กับสุนัขทั่วไปที่มี 125-220 ล้านตัว และกับสุนัขบลัดฮาวด์ที่มีถึง 300 ล้านตัว
เซลล์จะเป็นแบบเซลล์ประสาทสองขั้วโดยมีเดนไดรต์งอกออกจากส่วนยอดและหันออกจากแผ่นกระดูกพรุน (cribriform plate) และมีแอกซอนซึ่งไม่หุ้มปลอกไมอีลินและงอกออกจากส่วนฐานแล้ววิ่งผ่านรูแผ่นกระดูกขึ้นไปสุดที่ป่องรับกลิ่น (olfactory bulb) ซีกร่างกายเดียวกันในสมอง ตัวเซลล์จะอยู่ที่เยื่อรับกลิ่น (olfactory epithelium) ในช่องจมูก โดยกระจายไปตามชั้นทั้งสามของเนื้อเยื่อ แอกซอนจากฐานจะรวมตัวกันเป็นมัดใยประสาทจำนวนมากที่รวม ๆ กันเรียกว่า ฆานประสาท (olfactory nerve, CN I) ก่อนจะวิ่งผ่านรูกระดูกพรุน
ไม่เหมือนกับเซลล์ประสาทรับความรู้สึกอื่น ๆ เช่น เซลล์รับแสงในจอตา และเซลล์ขนในคอเคลีย เซลล์ประสาทรับกลิ่นเองมีแอกซอนคือสามารถส่งศักยะงานไปยังระบบประสาทส่วนกลางโดยไม่ต้องอาศัยเซลล์ประสาทอีกตัวหนึ่ง นอกจากนั้น เซลล์ยังส่งสัญญาณไปยังระบบประสาทส่วนกลางคือป่องรับกลิ่นโดยไม่ผ่านทาลามัสเหมือนกับระบบรับความรู้สึกอื่น ๆ อีกด้วย โดยป่องรับกลิ่นจะทำหน้าที่นี้แทนทาลามัส
เซลล์รับกลิ่นแต่ละตัวจะแสดงออกหน่วยรับกลิ่นเพียงแค่ชนิดเดียว แต่เซลล์หลายตัวจะแสดงออกหน่วยรับกลิ่นชนิดเดียวกันซึ่งจับกับโมเลกุลกลิ่นแบบเดียวกัน เซลล์รับกลิ่นที่มีหน่วยรับกลิ่นประเภทเดียวกันนี้จะอยู่จำกัดภายในโซนหลายโซนของเยื่อรับกลิ่นโดยกระจายไปอย่างสุ่มในโซนนั้น ๆ แอกซอนของเซลล์รับกลิ่นต่าง ๆ ที่มีหน่วยรับกลิ่นชนิดเดียวกัน จะวิ่งรวมเข้าที่โกลเมอรูลัส (glomerulus) โดยเฉพาะ ๆ ของป่องรับกลิ่นในซีกร่างกายเดียวกัน และปกติจะส่งแอกซอนไปยังโกลเมอรูลัสเป็นคู่ในป่องรับกลิ่น โกลเมอรูลัสแต่ละอันจะอยู่ด้านตรงข้ามของป่องโดยมีเส้นแบ่งข้างวิ่งผ่านป่องในแนวทแยง

ซีเลีย

ซีเลียที่คล้ายขนเล็ก ๆ จำนวนมากจะยื่นออกจากเดนไดรต์อันเดียวของเซลล์รับกลิ่นส่วนยอด เข้าไปในชั้นเมือกหนาที่ปกคลุมผิวของเยื่อรับกลิ่น ผิวของซิเลียจะปกคลุมด้วยโปรตีนหน่วยรับกลิ่น (olfactory receptor, ตัวย่อ OR) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของ G protein-coupled receptor หน่วยรับกลิ่นจะมีกลไกในการขยายสัญญาณกลิ่นและถ่ายโอนกลิ่นเป็นกระแสประสาท
ซีเลียของเซลล์รับกลิ่นไม่มีโครงสร้างเหมือนกับซีเลียที่เคลื่อนที่ได้ (คือที่เป็นไมโครทิวบูลแบบ 9+2) แม้รูปอาจจะเหมือน แต่ซีเลียของเซลล์กลับสมบูรณ์ไปด้วยแอกตินและเหมือนกับ microvilli ของเยื่อบุผิวอื่น ๆ มากกว่า เช่นดังที่พบในปอดหรือในลำไส้ เป็นโครงสร้างที่ช่วยขยายขนาดพื้นที่ในการรับกลิ่นเป็นอย่างมาก มีโปรตีนหน่วยรับกลิ่นหลายอย่างที่จำเป็นในการถ่ายโอนสัญญาณกลิ่นเป็นกระแสประสาท และพบอย่างหนาแน่นหรือโดยส่วนเดียวที่ซีเลียของเซลล์รับกลิ่น

หน่วยรับกลิ่นและกลไกการทำงาน

หน่วยรับกลิ่นซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มซีเลีย ได้ระบุแล้วว่าเป็นช่องไอออนแบบ ligand-gated metabotropic channels มียีนประมาณ 1,000 ยีนที่เข้ารหัสตัวรับความรู้สึกในมนุษย์ ทำให้เป็นกลุ่มยีนขนาดใหญ่ที่สุดในดีเอ็นเอมนุษย์ โมเลกุลกลิ่นจะละลายในเมือกของเยื่อรับความรู้สึกแล้วจับกับหน่วยรับความรู้สึก โดยแต่ละหน่วยสามารถจับกับโมเลกุลกลิ่นได้หลายชนิด แม้จะมีสัมพรรคภาพต่อกลิ่นต่าง ๆ ไม่เท่ากัน ความต่าง ๆ ทางสัมพรรคภาพเช่นนี้ จะเป็นเหตุเกิดการตอบสนองในรูปแบบต่าง ๆ โดยเป็นโปรไฟล์การตอบสนองต่อกลิ่นโดยเฉพาะ ๆ
หน่วยรับกลิ่นที่จับกับโมเลกุลกลิ่นจะทำให้เกิดการส่งสัญญาณเป็นลำดับภายในเซลล์ ซึ่งในที่สุดก็ทำให้เซลล์ลดขั้วแล้วส่งศักยะงานไปยังป่องรับกลิ่น โดยรายละเอียดก็คือ เมื่อจับกับกลิ่นแล้ว หน่วยรับกลิ่นจะเปลี่ยนโครงสร้างแล้วเริ่มการทำงานของ G protein ภายในเซลล์รับกลิ่นซึ่งอยู่ที่ปลาย carboxyl ของหน่วยรับกลิ่น G protein (Golf และ/หรือ Gₛ) ซึ่งเป็นประเภทที่เฉพาะต่อระบบรับกลิ่น ก็จะเริ่มการทำงานของเอนไซม์ adenylate cyclase III (ACIII) ซึ่งเป็นเอนไซม์เฉพาะในระบบรับกลิ่นเช่นกัน และเพิ่มการปล่อย cyclic AMP (cAMP) ซึ่งทำหน้าที่เป็น second messenger โดยอาศัยอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) แล้ว cAMP ก็จะเปิดช่องไอออน cyclic nucleotide-gated ion channel ทำให้ไอออนแคลเซียม (Na⁺) และโซเดียม (Ca²⁺) ซึมเข้ามาในเซลล์ได้ แล้วทำให้เซลล์รับกลิ่นลดขั้ว (depolarized) นอกจากนั้น Ca²⁺ ที่เพิ่มขึ้นก็จะเปิดช่องไอออน Ca²⁺-gated Cl⁻ channel ซึ่งขยายการลดขั้วของเซลล์ที่แพร่กระจายไปตามตัวเซลล์อย่างแพสซิฟจนถึงส่วน axon hillock ของตัวเซลล์ ซึ่งเป็นจุดที่สร้างศักยะงานอาศัยช่องไอออน voltage-regulated Na⁺ channel เพื่อส่งไปยังป่องรับกลิ่น

การลดการตอบสนองของเซลล์รับกลิ่น

เซลล์ประสาทรับกลิ่นได้การป้อนกลับเชิงลบที่มีผลอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการลดขั้ว คือเมื่อเซลล์กำลังลดขั้ว ช่อง cyclic nucleotide-gated ion channel ก็จะเปิดให้ไอออนโซเดียมและแคลเซียมไหลเข้าไปในเซลล์ การไหลเข้าของแคลเซียมจะเริ่มการทำงานเป็นลำดับภายในเซลล์ คือ ในขั้นแรก แคลเซียมจะเข้ายึดกับ calmodulin รวมเป็น CaM ซึ่งก็จะเข้ายึดกับ cyclic nucleotide-gated ion channel แล้วปิดช่อง ซึ่งหยุดการไหลเข้าของโซเดียมและแคลเซียม CaM ก็จะเริ่มการทำงานของ CaMKII ซึ่งจะเพิ่มกลุ่ม Phosphoryl ให้กับ ACIII และลดการผลิต cAMP CaMKII ยังเริ่มการทำงานของ phosphodiesterase ซึ่งจะสลาย cAMP ด้วยน้ำ กระบวนการป้อนกลับเชิงลบจะมีผลยับยั้งไม่ให้เซลล์ตอบสนองเมื่อมีโมเลกุลกลิ่นเข้ามาอีก