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1 Dr. Fernando D. Saraví Existen decenas de millones de sustancias químicas en la naturaleza, y muchas otras que han sido sintetizadas por el hombre. Los sentidos químicos son aquéllos que nos permiten detectar una sustancia presente en el aire (olfato) o disuelta en la saliva (gusto). En ambos casos, la detección depende de la interacción de la sustancia olorosa o gustativa con moléculas presentes en la membrana de las células receptoras, las cuales establecen sinapsis con neuronas aferentes que transportan la información al sistema nervioso central. Gusto La mayoría de los sentidos, como la somestesia, la visión, la audición e incluso el olfato cumplen funciones diversas en diferentes contextos. En cambio, el sentido del gusto tiene básicamente una sola función, que es la de regular el comportamiento alimentario. El gusto sirve para determinar si determinada sustancia es apta para ser ingerida o no lo es. El gusto permite discernir entre sustancias potencialmente tóxicas y sustancias comestibles. Entre estas últimas, el gusto puede detectar la mayor o menor riqueza de nutrientes y contribuye a establecer el valor hedónico (gratificante) de los alimentos. El ser humano puede detectar cinco gustos básicos o primarios: Dulce, salado, ácido, amargo y umami (este último nombrado por la palabra japonesa para “delicioso” o “sabroso”); Tabla 1. Los sabores dulce y umami son naturalmente agradables y los sabores amargo y ácido naturalmente desagradables, aunque pueden tornarse atractivos por el aprendizaje. El sabor salado puede ser agradable o desagradable según las circunstancias. Se ha postulado que también se puede detectar el gusto de la grasa, como sexto gusto, pero esta hipótesis no ha sido definitivamente demostrada. RESEÑA ANATÓMICA Botones y papilas gustativos Los receptores gustativos son células epiteliales diferenciadas (neuroepiteliales) que se agrupan en conjuntos de 50 a 100 en los llamados botones gustativos. Los botones gustativos se encuentran principalmente en las papilas gustativas de la lengua, aunque también existen botones gustativos aislados en el paladar blando, la faringe, la epiglotis y la parte superior del esófago. Las papilas gustativas son estructuras epiteliales que adoptan tres diferentes formas: fungiforme, foliada o caliciforme (Fig. 1). Las papilas filiformes son las más abundantes y ampliamente distribuidas, pero no son papilas gustativas propiamente dichas, pues carecen de botones gustativos. En cambio, poseen mecanorreceptores, termorreceptores y nociceptores. Si bien las papilas filiformes no contribuyen directamente a la percepción de los cinco gustos primarios, probablemente tienen una participación importante en experimentar sabores complejos, como se verá al final de este capítulo. Las papilas fungiformes (en forma de hongo) son cerca de 200. Casi 90 % de ellas se encuentran en los primeros 2 cm de la lengua. Son las únicas que tienen los botones gustativos en su vértice; las otras dos clases de papilas gustativas presentan los botones en sus caras laterales pero no en su parte superior. Las papilas foliadas se encuentran en la parte posterior de los bordes de la lengua, agrupadas en pliegues. Son más abundantes en los niños que en los adultos. Las papilas caliciformes son las más grandes, con un diámetro de 1 a 3 mm. Son solamente 8 a 12 y se disponen formando una “V” en la parte Los sentidos químicos: Gusto y olfato Tabla 1: Ejemplos de sustancias en las 5 clases de gustos Umami Dulce Amargo Salad o Ácido L-glutamato L-aspartato Glucosa Sacarosa Sacarina D-leucina Miraculina Quinina Estricnina Cafeína MgSO4 NaCl NH4Cl MgCl2 NaF HCl Ácido acético Ácido cítrico CO2 Posgrado-00 Sello 2 posterior de la lengua. Las papilas caliciformes y foliadas contienen hasta 100 botones gustativos, mientras que las fungiformes contienen de 5 a 10. En la base de las papilas hay pequeñas glándulas salivales serosas (ver SECRECIONES DIGESTIVAS 1: SALIVA), que contribuyen a disolver y posteriormente arrastrar las sustancias en contacto con las células receptoras de los botones gustativos. En el ser humano hay ~ 5000 botones gustativos en la cavidad oral. Cada botón gustativo está en contacto con la cavidad mediante un poro. Cada botón tiene una altura de ~ 70 m y un diámetro máximo de ~ 40 m y contiene entre 50 y 100 células (Fig. 2). Estas células son de dos clases: Células receptoras y células basales. Las células receptoras tienen microvellosidades apicales y en su extremo inferior establecen sinapsis con fibras nerviosas aferentes. Las células receptoras están en constante renovación, ya que tienen una vida media de ~ 10 días. Las nuevas células receptoras derivan de las células basales. Las células receptoras se han clasificado en tres tipos con criterios morfológicos, histoquímicos y electrofisiológicos. Las células de tipo I u oscuras son las más abundantes. Poseen ciertas características propias de células gliales, como la capacidad de incorporar K + y eliminarlo hacia la cavidad oral mediante canales ROMK. Además sintetizan GABA. Las células de tipo II o claras son las que poseen receptores para gusto dulce, para gusto umami o para gusto amargo (ver más adelante). Ambos tipos de célula están en estrecho contacto con terminaciones nerviosas, pero sin establecer sinapsis definibles morfológicamente. Las células de tipo III o intermedias, en cambio, no expresan receptores para dulce, amargo o umami, pero sintetizan serotonina, noradrenalina y GABA y sí establecen sinapsis con las terminaciones nerviosas; por esta razón a veces se las llama también “presinápticas”. Las células receptoras establecen entre sí uniones estrechas que limitan el paso de sustancias entre la cavidad oral y el intersticio del botón gustativo o viceversa. Además, cada botón gustativo está rodeado de una barrera, al parecer compuesta de glicosaminoglicanos y proteínas, que limita la transferencia de sustancias desde la sangre o el intersticio del epitelio vecino, o hacia ellos. Inervación 3 Los botones gustativos solamente poseen inervación aferente. Cada botón está inervado por 3 a 14 fibras aferentes, lo que significa que cada fibra aferente recibe excitación de varias células receptoras(con la misma clase de receptor gustativo). La parte anterior de la lengua (donde hay papilas fungiformes) es inervada por la cuerda del tímpano, y el paladar blando por el nervio petroso superficial mayor, ambos ramas del nervio facial (VII par). Los somas de estas neuronas se localizan en el ganglio geniculado. Los botones de la parte posterior de la lengua (donde hay las tres clases de papilas) son inervadas por neuronas del nervio glosofaríngeo (IX par), cuyos somas están en el ganglio petroso. Los botones de la parte posterior de la lengua, la faringe, la epiglotis y el esófago son inervados por el nervio laríngeo superior, rama del nervio vago (X par). Los somas de estas neuronas se hallan en el ganglio nodoso. TRANSDUCCIÓN Los receptores para sustancias químicas que originan sensaciones gustativas de dulce, amargo y umami son diferentes entre sí, pero todos pertenecen a la superfamilia de receptores acoplados a proteína G. Se designan como TR (de Taste Receptor) con números arábigos intercalados (Fig. 3 A). Gustos dulce y umami Los gustos dulce y umami son naturalmente atractivos. Sus receptores se caracterizan por una extensa porción extracelular. Los receptores para el gusto dulce y el gusto umami se encuentran en células diferentes, pero ambas de tipo II. El receptor para el sabor dulce es un heterodímero de T1R2 y T1R3, lo cual puede expresarse como T1R2+3. Este receptor es activado por mono y disacáridos, D- aminoácidos, edulcorantes artificiales y algunas proteínas como la miraculina (derivada de la fruta milagrosa, Synsepalum dulcificum). La sensibilidad a múltiples compuestos parece debida a que el receptor puede ser activado por la unión a cada tipo de ligando en diferentes sitios de sus subunidades. Los receptores muestran diferencias entre especies. Por ej., los ratones no perciben como dulce varios edulcorantes artificiales, como aspartamo. 1 El receptor para umami es un heterodímero T1R1+3. En el ser humano, es activado solamente por L-glutamato y L- aspartato (en los ratones responde a muchos L- aminoácidos). La respuesta de estos receptores al L-glutamato es potenciada extracelularmente por los 5’-monofosfatos de inositol (IMP) y guanosina (GMP). El IMP y el GMP actúan al parecer como moduladores alostéricos de la respuesta al L-glutamato. Los receptores para dulce y umami poseen relativamente baja afinidad por sus ligandos, de modo que se activan a partir de concentraciones del orden de 10 mmol/L y generan sensaciones definidas con concentraciones de ~ 100 mmol/L (una excepción son los edulcorantes artificiales). El sentido biológico de esta baja sensibilidad probablemente es que permiten la detección por el gusto de alimentos de alto valor nutritivo. Gusto amargo El sabor amargo es detectado por una familia de receptores llamada T2R, que carecen de las extensas cadenas extracelulares de los receptores T1R. Estos receptores se localizan en células de tipo II diferentes que las que poseen receptores para gusto dulce o umami. Cada 1 El gen de T1R2 no es funcional en los felinos, los cuales, por lo tanto, son incapaces de percibir el sabor dulce. 4 célula sensible compuestos amargos posee varias clases de receptores T2R. La función biológica de los receptores T2R parece ser la de detectar, con gran sensibilidad, sustancias probablemente tóxicas. Apoya esta idea la alta afinidad y el bajo umbral de detección de diversas sustancias amargas. Por ej., el umbral para la quinina es de 8 mol/L (6 mg/L) y el umbral para la estricnina es de 3 mol/L (~ 1 mg/L). En otras palabras, el umbral de detección para el gusto amargo es del orden de mil veces menor que para los gustos dulce o umami. Existen decenas de receptores T2R, pero, dada la enorme cantidad de sustancias químicas de sabor amargo, es evidente que cada receptor debe responder a muchos compuestos diferentes. Un subgrupo de receptores T2R incluso responde a la sacarina en alta concentración, lo cual explica por qué esta sustancia tiene gusto dulce a baja concentración (umbral 23 mol/L) pero amargo en concentraciones elevadas. Gusto salado El gusto salado es diferente que los otros gustos primarios, y su detección persiste en ratones hechos genéticamente insensibles a los gustos umami, dulce, salado y amargo. Los animales aceptan soluciones con concentraciones de NaCl de 100 mmol/L o algo mayores, pero rechazan soluciones muy concentradas. El ser humano percibe como saladas las soluciones que contengan 40 mmol/L de NaCl o más. Existen dos tipos de receptor molecular para el gusto salado (Fig. 3 B), que se localizan en células gustativas diferentes. Es probable que las células más sensibles al gusto salado sean de tipo I. Las células sensibles solamente a concentraciones elevadas de sal parecen ser receptores con bajo umbral para los gustos amargo y ácido (tipo II y III, respectivamente). Esto concuerda con la sensación amarga que produce un alimento extremadamente salado. Por una parte, hay un receptor específico para Na + – aunque también detecta Li + – que es el canal epitelial de Na + (ENaC), inducible por aldosterona y bloqueable por amilorida. En el ser humano, las células con canales apicales de tipo ENaC son responsables por ~ 20 % de la intensidad del sabor salado. En herbívoros, que normalmente tienen mayor avidez por Na + , el papel del ENaC es más importante. El otro receptor importante es un canal catiónico inespecífico, el TRPV1t (“t” por taste). El TRPV1t es una variante del receptor vanilloide activado por capsaicina importante en la nocicepción (ver DOLOR Y MECANISMOS NOCICEPTIVOS), llamado TRPV1 (Transient Receptor Potential Vanilloid 1). Este receptor media la respuesta al Na + que no es inhibida por amilorida y también la respuesta a otros compuestos que se perciben como salados, por ej., KCl y NH4Cl. La respuesta gustativa salada mediada por TRPV1t es aumentada por el pH ácido, la temperatura y la capsaicina. Gusto ácido El gusto agrio o ácido es producido por diferentes ácidos y por el anhídrido carbónico (Fig. 3 C). Las candidatas más probables como receptoras del gusto ácido son las células tipo III (“presinápticas”). Se piensa que los ácidos orgánicos deben ingresar en su forma molecular a la célula receptora y reducir la [H + ] intracelular para ser un estímulo efectivo. Este es el caso, por ej., de los ácidos acético y cítrico. Por otra parte, se sabe que la supresión de la producción extracelular de protones bloquea la activación de las células receptoras. Los protones extracelulares parecen ser el mecanismo predominante de estimulación por los ácidos fuertes, como HCl. Por consiguiente, es probable que exista una molécula receptora en la membrana, capaz de sensar el pH extracelular. Las células que 5 detectan acidez expresan en su membrana apical un tipo de canal TRP llamado PKD2L1. Este receptor es también responsable por la detección de protones en diversas células sensibles al pH extracelular (como quimiorreceptores). Las mismas células gustativas que responden a ácidos y expresan PKD2L1 también expresan en su membrana apical, de lado extracelular, la isoenzima IV de la anhidrasa carbónica. Esta enzima es responsable de la percepción como ácido del CO2 presente en las bebidas carbonatadas, como soda o gaseosas (la sensación cosquilleante que se percibe simultáneamente se debe a la activación de mecanorreceptores que se encuentran fuera de los botones gustativos). La anhidrasa carbónica cataliza la reacción CO2 + H2O HCO3 - + H + y los protones producidos activan el receptor PKD2L1. Gusto grasoso Dado que existe capacidad para percibir gustativamente hidratos de carbono y aminoácidos, sería de esperar que hubiera percepción de los lípidos, el tercer macronutriente que es fuente de energía (ver NOCIONES DE NUTRICIÓN). Aunque, como se dijo antes, la evidencia no es concluyente, hay datos que sugieren que la detección de ácidos grasos podría ser un sexto gusto primario. La lipasa salival puede liberar ácidos grasos. Se ha postulado que el transportador de ácidos grasos CD36 (ver SECRECIONES DIGESTIVAS 4: FUNCIÓN HEPÁTICA Y SECRECIÓN DE BILIS) podría funcionar como detector. Otro detector propuesto, además de CD36, es el receptor GPCR120, el cual inicia una cascada intracelular con liberación intracelular de Ca 2+ . La presencia de grasa en la boca produce respuestas fisiológicas, como un incremento en la concentración plasmática de triacilgliceridos. Existe además evidencia de que la percepción oral de grasas es subnormal en sujetos obesos. Señalización intracelular La vía de señalización intracelular de las células receptoras no ha sido completamente dilucidada. Los receptores T1R y T2R están acoplados a una proteína G (trímero ), cuya subunidad alfa se denomina -gustducina. Cuando el receptor molecular T1R ó T2R es ocupado, la - gustudicina activa la fosfolipasa C 2, la cual genera inositol trifosfato y diacilglicerol. El inositol trifosfato provoca la liberación de Ca 2+ del retículo endoplásmico. Se sabe además que el canal iónico TRPM5 de la membrana basolateral participa en el proceso de señalización. El canal TRPM5 es permeable a iones monovalentes y cuando se abre deja pasar predominantemente Na + debido a su potencial electroquímico. , pero se ignora si es activado por el inositol trifosfato, el Ca 2+ , el diacilglicerol u otro segundo mensajero. Según el modelo actual (Fig. 4), los canales TRPM5 se activan debido al aumento de Ca 2+ intracelular. Esto causa despolarización de la célula, la cual a su vez activa canales llamados CALHM1 (CAlcium Homeostasis Modulator 1). Estos canales, que son activados por potencial, permiten la liberación de ATP, que estimula la correspondiente terminal sináptica en la neurona aferente, activando receptores purinérgicos. Otra vía de secreción de ATP puede ser una mediada por hemicanales formados por panexinas (moléculas emparentadas con las conexinas). La panexina 1 forma canales permeables al ATP y su apertura es facilitada por la despolarización y el Ca 2+ intracelular. La forma de señalización intracelular de los estímulos salado y ácido es menos clara, pero probablemente involucra la despolarización de las células correspondientes seguida de liberación de ATP (Fig. 5). EXCITACIÓN DE LAS FIBRAS AFERENTES 6 Se conoce relativamente poco acerca del modo en que las células receptoras neuroepiteliales excitan las fibras aferentes que conducen las señales hacia el sistema nervioso central. El mediador mejor estudiado es el ATP, liberado mediante canales CALHM1, hemicanales de panexina 1, o ambos. El ATP activa receptores ionotrópicos inespecíficamente permeables a cationes, que causan la despolarización y excitación de los aferentes primarios. Son receptores purinérgicos P2X2 y P2X3 (Fig. 6). Los ratones en los cuales los genes de estos receptores han sido silenciados no responden a ninguno de los gustos básicos. El receptor P2X3 parece ser más importante, ya que su bloqueo selectivo (sin afectar P2X2) suprime la respuesta de los aferentes gustativos sin modificar la liberación de ATP por parte de las células receptoras. EFECTOS AUTOCRINOS Y PARACRINOS Existen diversas interacciones químicas entre las células receptoras gustativas, cuyo papel todavía no es claro. El ATP liberado durante la estimulación gustativa también actúa como un estimulante autocrino o paracrino para las células de tipo II, que poseen en su membrana basolateral tanto receptores ionotrópicos P2X2, que potencian la despolarización, como receptores P2Y2, que son metabotrópicos. Los receptores P2Y2 son de tipo GPCR y activan la fosfolipasa C, potenciando la liberación de Ca 2+ desde el retículo endoplásmico. La activación de los citados autorreceptores facilita la liberación de más ATP por parte de estas células. Además, cuando el ATP liberado al intersticio es hidrolizado a adenosina, ésta actúa sobre receptores A2b de las células tipo II sensibles al gusto dulce (pero no a umami ni amargo). Los receptores A2b son de tipo GCPR. Su activación aumenta la síntesis de cAMP por estimulación de la adenilato ciclasa. Las células tipo II también sintetizan acetilcolina, la cual es liberada durante la estimulación gustativa. En concentración de 1 mol/L, la acetilcolina aumenta la respuesta a los gustos dulce, umami y amargo por activación de autorreceptores muscarínicos de tipo M3, acoplados por proteína Gq a la fosfolipasa C. El ATP liberado por las células de tipo II también activa receptores P2Y4, acoplados a fosfolipasa C, en las células tipo III. Esto produce la liberación de serotonina (5-HT) y GABA, neurotransmisores que a su vez reducen las respuestas gustativas de las células tipo II. Las células tipo I también sintetizan GABA, aunque no se ha identificado el estímulo para su liberación. Las propias fibras nerviosas aferentes también pueden modular las respuestas de las células tipo II mediante la liberación de glutamato (Fig. 7). El glutamato favorece la liberación de serotonina por parte de las células de tipo III, la cual inhibe las respuestas gustativas de las células tipo II. La mayor parte de las interacciones descriptas parecen apuntar a una modulación de 7 la sensación de gusto dulce, amargo o umami por parte de las células sensibles al gusto ácido. CODIFICACIÓN DEL GUSTO La mayoría de los botones gustativos tienen células receptoras para los cinco gustos básicos (dulce, amargo, umami, salado y ácido), de modo que cada uno puede ser percibido en cualquier parte de la lengua donde haya botones gustativos. Por esta razón, los “mapas” que restringen la percepción de cada gusto primario a determinada área de la lengua son erróneos, aunque aparezcan incluso en libros de texto. No obstante, la proporción de cada tipo de célula sensible no necesariamente es la misma en todos los botones gustativos, por lo cual hay regiones que son más sensibles a un gusto que a otro (Fig. 8). La punta de la lengua es muy sensible a los compuestos dulces, los costados a los gustos salado y ácido y la parte posterior al gusto amargo. Por ej., el umbral para la detección de compuestos amargos aumenta mucho cuando se bloquean los nervios glosofaríngeos, que inervan los botones gustativos de la parte posterior de la lengua. El umbral de detección de un gusto primario – la concentración a la cual se detecta una sustancia – depende de la superficie de la lengua que se estimula. Dentro de ciertos límites, pueden detectarse menores concentraciones (el umbral es menor) cuanto mayor sea la superficie estimulada. Una mayor concentración aumentará la frecuencia de descarga de cada fibra aferente estimulada, mientras que una mayor superficie aumenta el número de fibras estimuladas, lo cual presumiblemente causa un fenómeno de facilitación a nivel central. También, en la proximidad del umbral, la detección es más probable cuanto mayor es el tiempo de contacto con la sustancia, aunque dentro de ciertos límites, debido al fenómeno de adaptación que se menciona más abajo. Otro factor que puede afectar la detección es la temperatura; temperaturas muy bajas o muy altas interfieren con la deteccióngustativa. La intensidad de una sensación gustativa será mayor cuanto mayor sea la concentración de la sustancia, la superficie estimulada y el tiempo de contacto. El sentido del gusto muestra adaptación. El contacto persistente de una sustancia de un gusto determinado con sus correspondientes receptores se asocia con una reducción en la intensidad del gusto percibido. Parte de la adaptación se produce en las propias células receptoras, que frente a un estímulo persistente muestran una respuesta inicial fásica y luego una respuesta tónica menor. Este fenómeno se debe a una menor movilización de Ca 2+ en las células receptoras. Otro componente de la adaptación puede estar dado por la liberación de serotonina y GABA por parte de las células de tipo III. Un tercer 8 componente es la desensibilización de los receptores purinérgicos de las neuronas aferentes frente a una estimulación sostenida con ATP. Las fibras aferentes gustativas funcionan como “líneas etiquetadas”, ya que cada una de ellas responde a un único gusto primario (Fig. 9). La integración de varios gustos primarios (y de los estímulos olfativos que puedan acompañarlos) es un fenómeno central y más específicamente cortical. VÍAS Y CENTROS GUSTATIVOS La vía gustativa comprende tres neuronas (Fig. 10). Los aferentes gustativos se dirigen isolateralmente hacia la porción rostral del núcleo del tracto solitario, situado en el bulbo raquídeo. En dicha porción rostral, los aferentes de la cuerda del tímpano, que inervan la parte anterior de la lengua, llegan a su parte superior; los aferentes glosofaríngeos, que inervan la parte posterior de la lengua, llegan a su parte intermedia y los aferentes vagales, que inervan la faringe y epiglotis, llegan a su parte inferior. En el núcleo del tracto solitario existe cierta convergencia de los aferentes primarios, ya que las segundas neuronas allí presentes en general no responden a un solo gusto primario, sino a más de uno. De todos modos, estas neuronas sí muestran respuestas preferenciales a un determinado gusto primario; por ej., una neurona determinada puede responder más a un estímulo dulce que a uno salado y otra a un estímulo amargo que a uno ácido. Además, la porción rostral del núcleo del tracto solitario recibe aferencias somatosensoriales procedentes de la cavidad oral (por ej., de receptores térmicos) que pueden modular la respuesta de los aferentes gustativos. Los axones de las neuronas de la porción rostral del núcleo del tracto solitario se dirigen al núcleo posteroventral medial del tálamo, donde establecen sinapsis con neuronas tálamocorticales. Corteza gustativa primaria Las neuronas talámicas se dirigen a la parte anterior del lóbulo de la ínsula y la porción adyacente del óperculo frontal. Esta región constituye la corteza gustativa primaria. En la corteza gustativa primaria hay neuronas que responden predominantemente a cada uno de los gustos primarios. Además, en la misma corteza hay neuronas que responden a propiedades detectadas por aferentes somatosensoriales, como viscosidad, temperatura, cualidad grasosa e irritación por picantes como capsaicina. La corteza gustativa primaria también posee neuronas que responden a combinaciones de gustos primarios y propiedades físicas de los estímulos orales. Existe también una importante proyección desde la corteza olfatoria. Sin embargo, no hay neuronas que respondan a estímulos visuales o a combinaciones de éstos con gustos primarios. La descarga de las neuronas de la corteza gustativa primaria tampoco es afectada por el estado de saciedad ni por el valor hedónico (placentero) del gusto detectado. Corteza gustativa secundaria Las eferencias de la corteza gustativa primaria se dirigen principalmente hacia la parte posterior y lateral de la corteza órbitofrontal. Esta región cortical es considerada la corteza gustativa secundaria. Al igual que en su homóloga primaria, posee neuronas que responden preferencialmente a cada uno de los cinco gustos primarios (dulce, umami, amargo, salado y ácido), cuya descarga puede ser modulada por aferencias somatosensoriales. 9 No obstante, a diferencia de la corteza gustativa primaria, la descarga de las neuronas de la corteza gustativa secundaria sí es modulada por aferencias visuales. Además, dicha descarga es modulada por aferencias de la corteza olfatoria y por el valor hedónico del gusto correspondiente. La respuesta de las neuronas al sabor de un determinado alimento (pero no a otros diferentes) disminuye cuando se lo ha ingerido en abundancia. Este fenómeno se denomina saciedad sensorial específica. Algunos aspectos más complejos de la percepción de sabores se tratarán al final del capítulo, luego de que se expongan los aspectos básicos del sentido del olfato. Olfato El olfato es el sentido que permite detectar e identificar sustancias químicas volátiles (odorantes) 2 presentes en el aire. En el caso de la alimentación, los olores informan sobre las características de los alimentos. Los olores ambientales, agradables o desagradables, proporcionan información sobre el medio, incluyendo potenciales placeres o peligros. En diversos animales, los odorantes cumplen una importante función con respecto a la interacción social – Por ej., en la detección de predadores, la delimitación de territorios y el apareamiento. La sensibilidad y capacidad discriminativa del olfato humano es inferior a la de otros mamíferos. No obstante, se estima que el ser humano puede discriminar más de 10 000 odorantes diferentes. En la naturaleza, el olor de un objeto raramente es debido a una única sustancia. Por ejemplo, el aroma característico de una rosa se debe a 275 componentes (aunque no todos son igualmente importantes). Según datos recientes, el ser humano puede distinguir más de 10 12 mezclas diferentes de 20 a 30 componentes. 3 Dependiendo de la sustancia, el umbral de detección oscila entre partes por 10 9 y partes por 10 6 . En el ser humano, el olfato cumple asimismo una función hedónica y estética, capaz 2 En español, la palabra “odorante” es solo un adjetivo. Empero, se usará aquí sustantivada, con el significado de “sustancia odorante”. Curiosamente, “desodorante” es tanto adjetivo como sustantivo. 3 Bushdid C y col. Science 343: 1370-1372, 2014. de evocar incluso memorias de experiencias muy antiguas. Existe dimorfismo sexual en cuanto a la olfacción: Las mujeres consistentemente superan a los varones en diversas pruebas relacionadas con el olfato, como detección, identificación, recuerdo y discriminación de olores. Estas diferencias pueden deberse, en parte, al mayor número de células receptoras en la mujer. No obstante, también hay diferencias sexuales en el procesamiento central de la información olfatoria. Odorantes Las sustancias perceptibles mediante el olfato son de baja masa molecular (< 200 Da), volátiles y liposolubles. Estas sustancias incluyen alcoholes, ácidos, ésteres, esencias aceitosas y compuestos aromáticos. Una clase especial – químicamente heterogénea – de sustancias detectables por el olfato son las feromonas (del griego ferein, llevar y hormaein, estimular). Las feromonas son sustancias químicas emitidas por un animal 10 que tienen un efecto fisiológico o conductual determinado en otro miembro de la misma especie. La existencia de feromonas ha sido demostrada en muchas especies, desde artrópodos a mamíferos. Por ello, se sospecha que también deben de existir en el ser humano, pero hasta la fecha (2015) no se ha identificado positivamente ninguna. EL EPITELIO OLFATORIO Los odorantes son percibidos porneuronas especializadas presentes en una región especializada del epitelio nasal, denominada epitelio olfatorio (Fig. 11). La superficie del epitelio olfatorio, sumando ambos lados, es de 5 a 6 cm 2 . Existen ~ 3.5 millones de neuronas receptoras en el varón y casi 7 millones en la mujer (para comparación, los perros tienen más de 200 millones). Las neuronas receptoras tienen una vida media de 45 días y son reemplazadas por neuronas que se desarrollan a partir de células basales. Las neuronas están sostenidas por células epiteliales ciliadas, de tipo columnar pseudoestratificadas, con ciertas propiedades similares a la glía. Las neuronas receptoras son de tipo bipolar, con una única dendrita terminada en cilias que están embebidas en una capa de mucus, proporcionada por las llamadas glándulas de Bowman. Las cilias poseen las moléculas receptoras para los diversos odorantes y vías de señalización intracelular que transforman el estímulo químico en una respuesta eléctrica. Los potenciales de acción producidos en respuesta a odorantes son conducidos por los axones, a través de la placa cribiforme, hasta el bulbo olfatorio que está por encima de ésta, donde se produce el primer relevo de la vía. RECEPTORES MOLECULARES Los principales receptores para odorantes son los productos de una familia multigénica. En el ser humano existen ~ 350 receptores diferentes en su secuencia precisa de aminoácidos (en el ratón hay 1000). Todos ellos pertenecen a la clase GPCR. Una familia menor (14 miembros en ratones), también de tipo GPCR pero diferente de la anterior, está formada por los llamados TAAR (Trace Amine-Associated Receptors). Detectan diversas aminas, como 2- feniletilamina, isoamilamina y trimetilamina, naturalmente presentes en la orina, que pueden funcionar como feromonas Se desconoce su importancia en el ser humano. Excitación Los receptores para odorantes están acoplados a adenilato ciclasa por una proteína G específica llamada Golf. La activación del receptor (Fig. 12) causa liberación de la subunidad a de Golf, que estimula la ciclasa. El cAMP activa un canal catiónico operado por nucleótidos (CNGC), el cual permite el ingreso de Na + y Ca 2+ . El ingreso de cationes despolariza la célula y dicha despolarización es amplificada por la apertura de canales de Cl - CaCC, activados por Ca 2+ intracelular (en estas células, el potencial de equilibrio del Cl - es menos negativo que el potencial transmembrana y por tanto el Cl - tiende a salir). En mamíferos, la magnitud de la despolarización generada por la apertura de canales de Cl - es 30 veces mayor que la generada por los canales catiónicos. Sin embargo, el ingreso de Ca 2+ por estos últimos es indispensable para activar los canales de Cl - . 11 La despolarización iniciada en la dendrita invade electrotónicamente el soma y, si su amplitud es superior al umbral, inicia un potencial de acción propagado en el segmento inicial del axón. La amplitud de la corriente de receptor y de la frecuencia de descarga de los potenciales de acción es proporcional a la intensidad del estímulo, aunque no en forma lineal (Fig. 13). La terminación de un estímulo olfatorio está principalmente vinculada con la salida de Ca 2+ de la neurona receptora, lo cual ocasiona el cierre de los canales de Cl - CaCC. El egreso de Ca 2`+ se produce principalmente por dos intercambiadores: Na + /Ca 2+ (NCX) que emplea el gradiente electroquímico del Na + , y Na + /Ca 2+ /K + (NCKX), que emplea el gradiente electroquímico del Na + que tiende a ingresar y del K + que tiende a salir. Probablemente haya también una contribución menor de una Ca 2+ - ATPasa a la salida del ión. Adaptación La respuesta sensorial a un estímulo olfatorio sostenido declina con el tiempo. Este fenómeno de adaptación es evidente por el debilitamiento de la percepción de un olor agradable o desagradable cuando está continuamente presente. Aunque los mecanismos de adaptación no se comprenden completamente, se sabe que el Ca 2+ tiene un papel importante. Una forma muy rápida de adaptación se produce frente a estímulos breves porque el Ca 2+ unido a calmodulina se une al canal CNGC y reduce su sensibilidad a los nucleótidos cíclicos. Frente a estímulos sostenidos se producen dos formas de adaptación, llamadas de corto y largo plazo. Se han propuesto varios mecanismos, como por ejemplo: 1. Inhibición de la adenilato ciclasa por fosforilación mediada por kinasa dependiente de Ca 2+ -calmodulina. 2. Hidrólisis del cAMP por fosfodiesterasas seguida de cierre de canales CNGC. 3. Fosforilación del receptor por proteína kinasa A, seguida de bloqueo por - arrestina. 4. Fosforilación del receptor por kinasa de proteína G. Codificación Para ser identificables por el sistema nervioso, los diversos odorantes deben generar señales diferentes. Se recordará que, en el caso del gusto, cada célula receptora responde a uno solo de los gustos primarios. La estrategia sensorial es muy diferente en el caso del olfato, que requiere identificar y distinguir una enorme variedad de odorantes. 12 Cada neurona receptora expresa un solo gen para receptor olfativo y, por lo tanto, posee un único tipo de molécula receptora. Cada tipo de molécula receptora está presente en varios miles de neuronas. Cada molécula receptora es sensible a varios odorantes diferentes, a menudo con estructuras químicas no relacionadas. A la inversa, un mismo odorante estimula con mayor o menor intensidad múltiples receptores diferentes presentes en distintas neuronas receptoras. El resultado es que cada odorante es detectado por una determinada combinación de neuronas receptoras, cuya excitación determina un patrón de actividad característico de ese odorante. Los odorantes diferentes patrones diversos. Sustancias con estructuras químicas parecidas, e incluso isómeros y enantiómeros activan conjuntos diferentes de receptores y por lo tanto originan sensaciones diversas. Por ej., los dos enantiómeros de la Fig. 14 huelen diferente, y además el de la izquierda es cientos de veces más potente que el de la derecha. La concentración del odorante puede asimismo influir en la calidad de olor percibido, presumiblemente porque concentraciones mayores reclutan receptores con baja afinidad por el odorante, que no se activan con concentraciones bajas, y por lo tanto cambia el patrón de actividad neuronal. Por ejemplo, el tioterpineol es un compuesto que en baja concentración recuerda una fruta tropical, en concentración intermedia huele a `pomelo, y en alta concentración tiene olor pútrido. EL BULBO OLFATORIO En el epitelio olfatorio, cada célula expresa un solo tipo de molécula receptora. Cada tipo está presente en varios miles de neuronas, que se distribuyen en el epitelio olfatorio agrupándose en zonas en cada una de las cuales sólo algunos tipos de receptor están representados. Los axones de las neuronas receptoras se dirigen hacia el bulbo olfatorio, donde las señales provenientes de cada tipo de neurona con su receptor exclusivo convergen en estructuras sinápticas llamadas glomérulos (Fig. 15). En ratones (una especie muy empleada en estudios sobre olfato) hay más de 1000 receptores olfativos diferentes y cerca de 2000 glomérulos, por lo cual, en término medio, los axones de neuronas con cada tipo de receptor convergen en dos glomérulos. Una relación similar (2:1) se observa en la rata. En el ser humano, en cambio, hay ~ 5500 glomérulos (sin diferencia entre sexos) pero sólo 350 receptores olfativos. Por lo tanto, en término medio, los axones de las neuronas con cada tipo de receptor olfativodeben inervar 5500/350 ~ 16 glomérulos. Aún se desconoce la importancia de esta diferencia notable en la organización sináptica entre humanos y roedores. Las neuronas principales (eferentes) del bulbo olfatorio son las células mitrales y las células en penacho. Además, existen numerosas interneuronas. Las más abundantes son las células periglomerulares y las granulosas (Fig. 16). Estas interneuronas se renuevan durante la vida adulta y son hasta 100 veces más numerosas que las células principales. Las dendritas apicales de cada célula mitrales y en penacho se dirigen a un único 13 glomérulo. Existe notable convergencia de las señales olfatorias en los glomérulos, ya que en cada glomérulo los axones de entre 600 y 1200 neuronas receptoras establecen sinapsis excitatorias con algunas decenas de células mitrales (no más de cien por glomérulo). La convergencia permite la sumación temporal y espacial de señales provenientes de diferentes neuronas receptoras. Presumiblemente mejora la relación señal/ruido y con ello aumenta la sensibilidad olfatoria. Las células periglomerulares y granulosas establecen sinapsis recíprocas dendrodendríticas con las células mitrales y en penacho. Estas últimas liberan glutamato, mientras que las interneuronas liberan generalmente GABA (aunque algunas pueden liberar glutamato); Fig. 17. Las interneuronas inhibitorias cumplen probablemente dos funciones. En primer lugar, la activación por las sinapsis recíprocas que las interneuronas establecen con las células principales produce inhibición lateral de estas últimas neuronas. Esto afina la descarga aferente hacia la corteza olfatoria, de modo que solamente las células mitrales y en penacho estimuladas más intensamente por las neuronas receptoras llegan a generar potenciales de acción. En segundo lugar, las células granulosas reciben inervación eferente excitatoria procedente de la corteza olfatoria. La activación de las células granulosas puede en este caso modular la respuesta de las células mitrales según el estado funcional de la corteza y la experiencia olfatoria previa. En el bulbo olfatorio, un determinado odorante activa unos pocos glomérulos según el perfil de excitación de los receptores olfatorios que responden a dicho odorante. En otras palabras, para cada odorante hay un mapa quimiotópico que corresponde a la localización de los glomérulos que activa. Esta característica se pierde en la corteza olfatoria, donde el procesamiento de las señales olfatorias es más complejo. Ambos bulbos olfatorios están recíprocamente conectados, porque las células mitrales dan colaterales al núcleo olfatorio anterior, cuyas neuronas tienen axones que cruzan al bulbo olfatorio contralateral por la comisura anterior (tracto olfatorio medial). Es posible que dichas conexiones faciliten la localización espacial de los olores, según la estimulación de un bulbo olfatorio sea más intensa que la del otro. Ciertas neuronas del núcleo olfatorio anterior son excitadas por un estímulo aplicado a la fosa nasal isolateral e inhibidas por el mismo estímulo aplicado a la fosa nasal contralateral. 14 LA CORTEZA OLFATORIA La vía olfatoria es una notable excepción, dentro de las vías sensoriales, en que alcanza la corteza cerebral sin ningún relevo talámico. La proyección desde el bulbo olfatorio forma el tracto olfatorio lateral (Fig. 18). La corteza olfatoria se ubica en el borde ventromedial del lóbulo temporal. Las neuronas del bulbo olfatorio se dirigen a la corteza olfatoria isolateral, pero las neuronas de la corteza olfatoria de ambos lados están conectadas por fibras de asociación que cursan por la comisura anterior. Por esta razón, cada corteza olfatoria recibe información bilateral. La mayor parte de la corteza olfatoria es de tipo paleocortical, con tres láminas principales; solamente la corteza entorrinal lateral es de tipo neocortical (seis capas). La corteza piriforme La corteza piriforme (área 27 de Brodmann) es la porción más extensa de la corteza olfatoria y es considerada su componente central. Los axones de los aferentes olfatorios se distribuyen en parte externa (Ia) de la capa superficial y establecen sinapsis con la dendrita apical de células piramidales y en menor medida con interneuronas superficiales (Fig. 19). En la capa Ib las dendritas apicales forman sinapsis con axones de otras neuronas piramidales de la misma región y con axones procedentes de la corteza contralateral. En las capas II y III están los somas de las neuronas piramidales superficiales y profundas, respectivamente. En estas capas también hay varias clases de interneuronas, la mayoría de ellas GABAérgicas. Por debajo de la corteza piriforme se encuentra el núcleo endopiriforme, que posee muchas neuronas excitatorias y escasas interneuronas inhibitorias y está extensamente conectado con la corteza suprayacente. Se cree que su actividad contribuye a la plasticidad funcional de la corteza piriforme y a la memoria de los diversos olores. La representación de los olores en la corteza piriforme es muy diferente que en el bulbo olfatorio. En este último, un olor determinado activa ciertas poblaciones de glomérulos, según la distribución de las neuronas receptoras sensibles al olor en cuestión. No obstante, los axones de las células mitrales y en penacho se distribuyen ampliamente en la corteza piriforme, de modo que las neuronas piramidales reciben aferencias provenientes de múltiples glomérulos. Por esta razón, cada odorante activa amplios sectores de la corteza piriforme y cada neurona responde en mayor o menor medida a muchos odorantes no relacionados entre sí. Sin embargo, esto no significa que el patrón de activación de la corteza piriforme sea aleatorio o caótico, ya que es diferente para cada odorante (Fig. 20). Un aspecto adicional de la actividad de las neuronas piramidales de la corteza piriforme es que su descarga es modulada por el ciclo respiratorio. Este hecho es importante porque la percepción deliberada de olores requiere olfatear, es decir, realizar una serie de inspiraciones nasales breves y superficiales que conducen el aire preferentemente hacia el epitelio olfativo. Según el modelo actual, el conjunto de características de cada odorante, codificado por la descarga aferente del bulbo olfatorio, puede ser sintetizado, codificado y representado en el patrón de actividad de la corteza piriforme. La actividad de sus neuronas piramidales es modulada por sus propias conexiones intracorticales, las cuales son reforzadas o debilitadas por la experiencia previa. Lo 15 anterior permite la percepción y el reconocimiento de “objetos” odorantes de manera análoga a la que la corteza somestésica permite la percepción y reconocimiento de objetos sólidos. Dado que las diferentes partes de la corteza olfatoria están interconectadas, la actividad de la corteza piriforme puede ser modificada no solamente por sus conexiones intrínsecas, sino también por sus conexiones con la formación del hipocampo por vía de la corteza entorrinal, la cual es importante en los mecanismos de memoria y asociación de “objetos” olfativos con formas, colores, objetos y situaciones. Dentro de la misma corteza piriforme parece existir una regionalización funcional. La parte anterior se vincula con la identificación del odorante (por ej., “manzana”), mientras que la parte posterior puede mediar aspectos más generalizados (por ej., “frutal”), percepción hedónica (agradable/desagradable) y diversas asociaciones más complejas. En esta concepción, solamente la parte anterior de la corteza piriforme funcionaria como un área receptiva primaria, mientras quela parte posterior funcionaría como un área de asociación (de segundo orden). Las principales eferencias de la corteza piriforme se dirigen hacia el hipotálamo lateral, el lóbulo de la ínsula y la corteza órbitofrontal (Fig 18). Además, la corteza piriforme está recíprocamente conectada con la corteza entorrinal. La conexión con el hipotálamo lateral participa en la regulación homeostática de la ingesta de alimentos y probablemente en otras funciones vegetativas del hipotálamo, como respuestas autonómicas. 16 Modulación colinérgica y aminérgica Tanto el bulbo olfatorio como la corteza olfatoria reciben inervación de las neuronas colinérgicas de la base del cerebro anterior. Los somas de estas neuronas se localizan en el núcleo septal medial, la banda diagonal de Broca y el núcleo basal magnocelular (de Meynert). El bulbo olfatorio y la corteza piriforme recibe aferencias de la banda diagonal, mientras que el núcleo septal medial inerva preferentemente la corteza entorrinal y el hipocampo. El bulbo y la corteza olfatoria también reciben inervación serotonérgica de los núcleos del rafe y noradrenergica del locus coeruleus. Estas proyecciones colinérgicas y aminérgicas modulan la actividad de la vía olfatoria en prácticamente todos sus niveles. En el bulbo olfatorio, la acetilcolina y serotonina tienen en general un efecto inhibitorio sobre las sinapsis glomerulares. La noradrenalina tiene un papel importante en el aprendizaje olfativo de las crías para reconocer el olor materno. Este efecto es mediado por -adrenoceptores y se asocia con mayor actividad de las células mitrales. La supresión de la inervación colinérgica a la corteza piriforme reduce la capacidad de discriminar entre olores similares y altera la memoria olfativa. La acetilcolina modula la excitabilidad de las neuronas piramidales y reduce la actividad en las conexiones de asociación intracorticales sin afectar la eficacia de la excitación proveniente del bulbo olfatorio. La activación de las neuronas noradrenérgicas del locus coerulus aumenta las respuestas inducidas por odorantes y la sincronización de la actividad de las neuronas piramidales con el ciclo respiratorio. Los efectos de la serotonina han sido menos estudiados, pero al parecer son similares a los de la noradrenalina. Otras regiones de la corteza olfatoria Como se esquematiza en la Fig. 18, los aferentes que proceden del bulbo olfatorio establecen sinapsis con todas las estructuras de la corteza olfatoria, de manera que la información procedente del olfato es procesada paralelamente por la corteza piriforme y otras regiones. Además, las diferentes regiones están conectadas entre sí y envían eferentes hacia el bulbo olfatorio. El núcleo olfatorio anterior tiene una estructura trilaminar similar a la de la corteza piriforme. Al igual que en esta última – y a diferencia del bulbo olfatorio – no hay una topografía definida en cuanto al patrón de activación en respuesta a diversos odorantes. El tubérculo olfatorio recibe predominantemente aferencias de las células en penacho de la parte ventral del bulbo olfatorio. Sus neuronas responden fuertemente a la aparición inicial de un olor, por lo cual pueden 17 participar en la detección del inicio de una señal olfativa. Algunas de sus neuronas también responden a combinaciones de olores y sonidos, por lo cual también pueden mediar asociaciones de orden superior. Finalmente, el tubérculo olfatorio posee fuertes conexiones con el striatum ventral, que es un componente del asa límbica de los ganglios de la base, también llamada “circuito de recompensa” (ver LOS GANGLIOS DE LA BASE). Por esa razón se lo ha vinculado con fenómenos de gratificación y adicción. Los núcleos corticales del complejo de la amígdala reciben aferencias principalmente de la porción dorsal del bulbo olfatorio, con una proyección menos completa pero más organizada que la de la corteza piriforme. Es posible que esta proyección esté vinculada con respuestas innatas al valor hedónico de algunos olores. La porción más caudal de la corteza olfatoria es la corteza entorrinal. Recibe aferentes primarios procedentes del bulbo olfatorio y también aferentes intracorticales de la corteza piriforme. Se estima que un tercio de las neuronas piramidales de la corteza entorrinal responden a odorantes. Las conexiones de la corteza entorrinal con el hipocampo son importantes para la memoria olfativa y la asociación entre olores y otros atributos de los objetos, como asimismo el contexto. Adicionalmente, existe una proyección directa de aferentes olfativos hacia el hipocampo. Plasticidad y aprendizaje Una característica notable de la percepción olfatoria es su capacidad – como la de otras modalidades sensoriales – de ser modificada por la experiencia. En esta plasticidad participa toda la vía, desde el bulbo olfatorio hasta la representación cortical del olfato. El aprendizaje y la plasticidad se producen en mayor o menor medida en todas las personas, pero hay un par de ejemplos muy ilustrativos. Existe una creencia popular según la cual la falta de un sentido (como la visión) hace que otros sentidos se agudicen. Se ha comprobado que esto es correcto en el caso del olfato. Las personas ciegas de nacimiento muestran objetivamente mayor sensibilidad y capacidad de discriminación olfatoria que las personas normales. En concordancia con esto, se ha observado que, en los ciegos de nacimiento, partes de la corteza visual (que carece de su actividad sensorial normal) contribuyen al procesamiento de estímulos olfativos. El otro ejemplo involucra los perfumistas, en quienes el entrenamiento en percibir e imaginar numerosísimas fragancias complejas induce modificaciones funcionales en la corteza piriforme posterior (asociativa), la corteza orbitofrontal y el hipocampo. Un estudio reciente mostró un mayor volumen de materia gris dedicada al procesamiento olfativo en perfumistas con respecto a controles apareados por edad. Adicionalmente, el volumen de áreas relacionadas con el procesamiento olfativo tiende a aumentar con la edad en los perfumistas, mientras que tiende a decrecer en los controles normales (las personas tienden a perder agudeza olfativa con la edad); Fig. 21. Integración del gusto y el olfato La información gustativa y olfatoria converge, juntamente con información visual y somestésica, en la parte medial posterior de la corteza órbitofrontal (Fig. 22), donde la percepción del sabor es experimentada como el resultado integrado a nivel neuronal del conjunto de la información aferente. 18 El gusto por sí mismo permite la percepción de ciertas propiedades (dulce, amargo, umami, salado y ácido). Los aferentes trigeminales de la cavidad oral contribuyen con la percepción de la consistencia, viscosidad, temperatura y con la sensación de “picante” o “burbujeante”. La percepción de sabor involucra al olfato. En ausencia de olfato no es posible discernir entre el sabor de una papa y una manzana, ni entre el del café y el vino tinto. Los aferentes olfatorios contribuyen fuertemente al sabor experimentado. Un hecho destacable es que, al paladear un alimento, la información olfativa alcanza el epitelio olfatorio por las coanas (vía retronasal). La percepción olfatoria retronasal muestra algunas diferencias con la percepción de olores en el aire ambiental (ortonasal), tanto a nivel del bulbo olfatorio como en la corteza olfatoria y la corteza orbitofrontal. Estas diferencias son evidentes para sustancias alimenticias como chocolate, pero no para otros olores como aromas florales. Las sensaciones visuales, somestésicas, gustativas y olfatorias contribuyenconjuntamente a la experiencia de sabores. Por ejemplo, la percepción retronasal del olor a almendras es aumentada por la percepción simultánea de un gusto dulce. La corteza orbitofrontal y la región vecina de la región precallosa de la circunvolución del cíngulo son importantes para la valoración hedónica (agradable, desagradable o neutra) del sabor. La valoración hedónica depende del sabor en sí mismo, de la experiencia previa y del estado de saciedad. La corteza órbitofrontal tiene conexiones con el hipotálamo, de manera que el aspecto, el olor y el sabor puede facilitar la ingesta de alimentos y estimular las funciones vegetativas encaminadas a su digestión, como la secreción salival y la fase cefálica de la secreción gástrica. Por otra parte, como las conexiones son recíprocas, las señales hipotalámicas de saciedad hacia la corteza insular y orbitofrontal reducen el valor hedónico (placer) de la ingesta de un alimento con determinado sabor, mientras que las señales de hambre tienen el efecto de aumentar la respuesta al aspecto, olfato, gusto y textura de un alimento, incrementando la experiencia placentera de ingerirlo.
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