Khứu giác là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vai trò của khứu giác

Khứu giác (olfaction) là hệ thống sinh học chịu trách nhiệm phát hiện và phân biệt các phân tử hóa học có khả năng bay hơi trong không khí. Những phân tử này, thường gọi là odorants, được thu nhận bởi các tế bào thụ cảm nằm tại biểu mô khứu giác. Nhờ vậy, sinh vật có thể nhận diện thức ăn, phát hiện nguy hiểm như khói hoặc khí độc, đồng thời điều chỉnh hành vi xã hội thông qua tín hiệu mùi.

Vai trò sinh tồn của khứu giác không chỉ giới hạn ở việc tìm kiếm thức ăn mà còn bao gồm cảnh báo nguy hiểm và định hướng di chuyển. Ví dụ, động vật hoang dã dựa vào dấu vết mùi để theo dõi con mồi hoặc tránh kẻ thù. Ở con người, khứu giác hỗ trợ việc lựa chọn thực phẩm an toàn, nhận biết thực phẩm ôi thiu và điều chỉnh hành vi phòng vệ khi có khói hoặc khí độc.

Trong bối cảnh xã hội, khứu giác còn đóng góp vào giao tiếp giữa các cá thể thông qua pheromone — các phân tử hóa học chuyên biệt có khả năng tác động lên hành vi hoặc phản ứng sinh lý của thành viên cùng loài. Điều này ảnh hưởng đến việc thu hút bạn tình, đánh dấu lãnh thổ, và hình thành các mối liên kết xã hội.

Cấu trúc giải phẫu của hệ khứu giác

Hệ khứu giác ở người bao gồm nhiều thành phần chính, từ bề mặt niêm mạc mũi đến các trung tâm não bộ:

• Biểu mô khứu giác: Lớp biểu mô tại vòm mũi trên, nơi tập trung các tế bào thụ cảm khứu giác (ORNs).
• Tế bào thụ cảm khứu giác (ORN): Mỗi ORN mang lông mao tại đầu tận cùng, nơi tiếp xúc với odorants.
• Bóng khứu giác: Vị trí đầu tiên ORNs synapse lên tế bào tuế bào và tế bào tua, tổ chức theo hình cầu (glomeruli).
• Dây thần kinh khứu giác: Gồm khoảng 20 bó sợi thần kinh dẫn tín hiệu từ bóng khứu giác lên vỏ não khứu giác.
• Vỏ não khứu giác: Bao gồm piriform cortex, entorhinal cortex và các cấu trúc thuộc hệ limbic, nơi xử lý cảm giác mùi và liên kết với trí nhớ, cảm xúc.

Để trực quan hóa, bảng sau tổng hợp chức năng và vị trí của từng thành phần:

Cấu trúc giải phẫu này cho phép khứu giác truyền thông tin một cách chính xác và nhanh chóng, từ việc nhận diện phân tử mùi ở mũi đến xử lý phức tạp ở não bộ.

Cơ chế phân tử của cảm nhận mùi

Tại cấp độ phân tử, mỗi tế bào thụ cảm khứu giác (ORN) biểu hiện duy nhất một loại thụ thể mùi (odorant receptor), thuộc họ thụ thể G-protein (GPCR). Khi một phân tử odorant gắn vào thụ thể, tiểu đơn vị Golf được kích hoạt và khởi đầu một chuỗi sự kiện tín hiệu nội bào.

Chuỗi tín hiệu bao gồm kích hoạt enzyme adenylate cyclase III, làm tăng nồng độ cAMP nội bào. cAMP mở kênh ion chủ vận cAMP, cho phép Na+ và Ca2+ đi vào tế bào, dẫn đến khử cực và tạo thành xung điện action potential.

• Kích hoạt thụ thể GPCR bởi odorant
• Golf thay GDP bằng GTP
• Adenylate cyclase III sinh tổng hợp cAMP
• cAMP mở kênh ion, tạo khử cực
• Phát sinh xung điện truyền xuống ORN

Sự đa dạng của họ thụ thể mùi ở người ước tính lên đến 400 loại, cho phép phân biệt hàng nghìn odorant khác nhau. Tính chọn lọc và mật độ biểu hiện của từng thụ thể quyết định độ nhạy và phạm vi cảm nhận mùi của cá thể.

Truyền tín hiệu và mã hóa mùi

Khi action potential di chuyển dọc theo trục sợi ORN, nó tới các glomeruli trong bóng khứu giác. Mỗi glomerulus nhận tín hiệu từ ORNs biểu hiện cùng một loại thụ thể mùi, tạo nên tổ hợp hoạt hóa không gian đặc trưng.

Mô hình tổ hợp này được gọi là “mã mùi” (odor code), trong đó mỗi odorant tạo ra một bộ hoạt hóa riêng biệt của các glomeruli. Não bộ giải mã mã mùi dựa trên tổ hợp không gian và động lực thời gian của tín hiệu.

1. Không gian: Các vùng glomeruli khác nhau hoạt hóa đồng thời.
2. Thời gian: Thứ tự và tần suất hoạt hóa theo chuỗi thời gian.

Ví dụ, odorant A có thể kích hoạt glomeruli 1, 5 và 9 mạnh mẽ trong khi odorant B kích hoạt 2, 5 và 8 theo một thứ tự nhất định. Sự khác biệt này cho phép não bộ phân biệt hai odorant gần giống nhau về cấu trúc phân tử.

Thông tin sau đó được truyền từ bóng khứu giác đến các vùng vỏ não cao hơn, nơi tiếp tục xử lý, liên kết với ký ức và cảm xúc, trước khi hình thành nhận thức mùi cuối cùng.

Quá trình xử lý ở trung ương

Tín hiệu điện từ các glomeruli trong bóng khứu giác được truyền qua dải sợi thần kinh đến nhiều khu vực não cao cấp, bao gồm vỏ não piriform, thùy hải mã (entorhinal cortex), hạch hạnh nhân (amygdala) và vùng dưới đồi (hypothalamus). Mỗi vùng đảm nhiệm chức năng đặc thù:

• Vỏ não piriform: Mã hóa nâng cao, kết hợp tín hiệu từ nhiều glomeruli để phân biệt odorant phức hợp.
• Thùy hải mã: Liên kết mùi với ký ức không gian và ngữ cảnh, hỗ trợ học tập và ghi nhớ mùi.
• Hạch hạnh nhân: Kết nối mùi với cảm xúc, đặc biệt các phản ứng sợ hãi hoặc khoái cảm.
• Vùng dưới đồi: Điều hòa các phản ứng nội tiết, ví dụ tăng nhịp tim khi phát hiện mùi cảnh báo.

Sự phân kỳ này cho phép não xử lý đồng thời nhiều khía cạnh: nhận diện mùi, lưu trữ ký ức liên quan, và kích hoạt phản ứng hành vi phù hợp. Các nghiên cứu giải phẫu chức năng bằng fMRI cho thấy hoạt động đồng bộ giữa piriform và amygdala khi đối tượng tiếp xúc với odorant có yếu tố cảm xúc mạnh.NCBI PMC

Khả năng tái cấu trúc (plasticity) của mạch khứu giác trung ương cũng rất đáng chú ý. Tế bào thần kinh ở piriform cortex có thể thay đổi kết nối synapse dựa trên kinh nghiệm mùi, giải thích hiện tượng học thích nghi (olfactory habituation) và tăng cường phân biệt mùi (olfactory discrimination learning).Neuron

Khứu giác và hành vi

Khứu giác không chỉ là giác quan thuần túy mà còn là chất xúc tác của hành vi sinh tồn và xã hội. Trong chọn lựa thức ăn, phân tử odorant từ thực phẩm kích hoạt dẫn truyền tín hiệu nhanh, ảnh hưởng ngay lập tức đến vị giác và cảm giác thèm ăn.

Trong giao tiếp xã hội, pheromone đóng vai trò then chốt. Ở nhiều loài động vật, pheromone tiết ra qua nước tiểu hoặc tuyến hôi, ảnh hưởng đến thu hút bạn tình, đánh dấu lãnh thổ và dấu vết theo dõi đồng loại. Ở người, các nghiên cứu chỉ ra một số peptide có tác dụng tương tự, tác động lên vùng hypothalamus để tạo phản ứng liên kết không ý thức.Nat. Rev. Neurosci.

• Định hướng tìm kiếm thức ăn và đối tác.
• Tạo ký ức cảm xúc gắn liền với mùi.
• Kích hoạt phản ứng phòng vệ (né tránh mùi hôi, khói).

Hiện tượng “nghiện mùi” (odor addiction) ở động vật thể hiện qua hành vi tìm kiếm odorant đã gặp trước đó dù không liên quan đến sinh lý, cho thấy khứu giác có thể tạo ra các đường dẫn phần thưởng giống dopamine reward circuits trong não.Front. Behav. Neurosci.

Các rối loạn khứu giác

Các rối loạn khứu giác thường gặp:

Mất khứu giác có thể dẫn đến giảm chất lượng cuộc sống, rối loạn ăn uống và nguy cơ an toàn. Trong đại dịch COVID-19, anosmia là triệu chứng sớm và phổ biến, nghiên cứu cho thấy 40–60% bệnh nhân trải qua mất khứu giác tạm thời.BMJ

Điều trị bao gồm liệu pháp huấn luyện khứu giác (olfactory training) với các odorant chuẩn hóa, có thể cải thiện đáng kể khôi phục giác quan sau 12 tuần. Các thuốc kháng viêm hoặc tiêm steroid cũng được thử nghiệm nhưng kết quả đa dạng tùy nguyên nhân.NCBI PMC

Ứng dụng kỹ thuật cảm biến mùi (“e-nose”)

Thiết bị “e-nose” mô phỏng nguyên lý ORN và glomeruli để phát hiện mùi một cách tự động. Cảm biến thường gồm mảng bán dẫn oxit kim loại hoặc polymer dẫn điện, mỗi sensor phản ứng khác nhau với các odorant.

Ứng dụng thực tế:

1. An toàn thực phẩm: Phát hiện vi khuẩn phân hủy, ôi thiu, kiểm soát chất lượng hàng loạt.
2. Môi trường: Theo dõi khí độc, ô nhiễm không khí, dò rò rỉ khí gas.
3. Y sinh: Chẩn đoán bệnh qua hơi thở, ví dụ phát hiện ung thư phổi bằng mẫu khí thở.TrAC Trends Anal. Chem.

Khó khăn kỹ thuật bao gồm chọn lọc sensor, xử lý tín hiệu phức hợp và yêu cầu huấn luyện máy học (machine learning) để phân loại mùi chính xác trong môi trường động.

Phương trình khuếch tán mùi trong không khí

Mô hình đơn giản nhất dựa trên định luật Fick về khuếch tán:

$J = -D \frac{\partial C}{\partial x}$

trong đó J là thông lượng (flux) của odorant, D hệ số khuếch tán, và C(x,t) nồng độ odorant tại vị trí x thời gian t. Để mô tả phân tán mùi theo thời gian, ta sử dụng phương trình khuếch tán:$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2} - k C$trong đó k biểu thị hệ số phân hủy hoặc hấp thụ của odorant trong không khí.

Mô hình này định lượng phạm vi lan tỏa mùi, thời gian đạt nồng độ tối đa và tốc độ suy giảm, hỗ trợ thiết kế hệ thống thông gió và cảnh báo sớm trong công nghiệp hóa chất.

Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu khứu giác đang mở rộng theo nhiều hướng:

• Single-cell sequencing để phân tích đa dạng ORN và mức độ biểu hiện thụ thể ở từng tế bào.Cell
• Giải mã mã mùi phức hợp với deep learning, kết hợp dữ liệu glomeruli và phản ứng hành vi.
• Ứng dụng sinh học tổng hợp để thiết kế thụ thể nhân tạo có độ chọn lọc cao, phục vụ e-nose thế hệ mới.
• Liệu pháp tái tạo tế bào ORN từ tế bào gốc, mở ra cơ hội điều trị rối loạn khứu giác vĩnh viễn.

Những tiến bộ này không chỉ nâng cao hiểu biết cơ bản về giác quan, mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong y học, an toàn môi trường và công nghiệp thực phẩm.

Tài liệu tham khảo

1. Gottfried JA., “Central mechanisms of odour object perception,” Nat. Rev. Neurosci., 2010. NCBI PMC
2. Li W. & Chen X., “Olfactory learning and memory,” Neuron, 2014. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.01.010
3. Bensafi M. et al., “Olfactory reward circuits in rodents and humans,” Front. Behav. Neurosci., 2016. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbeh.2016.00023
4. Hopkins C. et al., “Loss of smell and taste in COVID-19,” BMJ, 2020. https://doi.org/10.1136/bmj.m3246
5. Doty RL., “Olfactory training as treatment for smell disorders,” Clin. Otolaryngol., 2021. NCBI PMC
6. Xiao Q. et al., “Electronic nose for medical diagnostics,” TrAC Trends Anal. Chem., 2020. https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.115994
7. Smith RS. et al., “Synthetic biology approaches to olfactory receptor engineering,” Cell, 2021. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.001