Quando sente l’odore di un pomodoro verde acerbo, si ritrova nella casa della sua infanzia in Baviera. Sotto i soffitti inclinati della camera da letto che condivideva con i suoi due fratelli maggiori, c’erano tre letti, un semplice tavolo e una credenza. “Mia madre metteva quei pomodori verdi sulla credenza perché maturassero”, ha detto Hummel, ricercatore dell’olfatto presso l’Ospedale Universitario Carl Gustav Carus in Germania. “Hanno un odore molto particolare”.

È erbaceo, verde, pungente, ruvido e amaro, ha detto. Quando oggi passa davanti a un cesto di pomodori al mercato, “è sempre in un certo senso emozionante”, ha detto, “come ogni odore è emozionante”.

L’olfatto è profondamente legato alle emozioni e ai centri della memoria del nostro cervello. Il profumo di lavanda potrebbe evocare i ricordi di un caro amico. Una zaffata di vodka economica, un ricordo dei tempi del college, potrebbe farti storcere il naso. L’odore di un certo detersivo per il bucato, lo stesso che usavano i tuoi nonni, potrebbe farti venire le lacrime agli occhi.

Come si traducono le molecole olfattive in un linguaggio neurale che scatena emozioni e ricordi?

L’olfatto è anche il nostro senso più antico, risalente a miliardi di anni fa, alle prime cellule sensibili alle sostanze chimiche. Ma gli scienziati ne sanno poco rispetto ad altri sensi, in particolare la vista e l’udito. Questo in parte perché l’olfatto non è mai stato ritenuto fondamentale per la nostra sopravvivenza; gli esseri umani sono stati erroneamente considerati “cattivi odoratori” per oltre un secolo. Inoltre, non è facile da studiare.

“È un senso altamente dimensionale”, ha detto Valentina Parma, ricercatore olfattivo presso il Monell Chemical Senses Center di Philadelphia. “Non sappiamo esattamente come le sostanze chimiche si traducano in percezione”. Ma gli scienziati stanno facendo progressi nella caratterizzazione e quantificazione sistematica del significato dell’olfatto, scomponendo il processo nei suoi elementi più fondamentali: dalle molecole di odore che entrano nel naso ai singoli neuroni che le elaborano nel cervello.

Diversi nuovi database, tra cui uno recentemente pubblicato sulla rivista Scientific Data, stanno tentando di stabilire un linguaggio scientifico condiviso per la percezione degli odori molecolari, ovvero ciò che le singole molecole “provano” per noi. E all’altro estremo del percorso, i ricercatori hanno recentemente pubblicato uno studio su Nature che descrive come queste molecole olfattive vengono tradotte in un linguaggio neurale che scatena emozioni e ricordi.

Insieme, questi sforzi stanno dipingendo un quadro più completo del nostro più potente dispositivo di teletrasporto mnemonico. Questa visione ad alta risoluzione sta mettendo in discussione l’assunto, a lungo sostenuto, che l’olfatto sia il nostro senso meno importante.

L’idea che gli esseri umani abbiano pessimi odori nasce da un equivoco vecchio di cent’anni. Alla fine del XIX secolo, il neuroanatomista francese Paul Broca cercò di spiegare perché gli esseri umani avessero il libero arbitrio e gli altri animali no, nonostante le somiglianze tra i nostri cervelli. Sottolineò che negli esseri umani i bulbi olfattivi – le principali aree cerebrali deputate all’analisi delle informazioni che fluiscono dal naso – sono relativamente piccoli rispetto alle dimensioni complessive del cervello. Al contrario, i bulbi olfattivi di topi e cavalli sono enormi rispetto al resto del loro cervello.

Concluse che l’olfatto guida il comportamento, in particolare quello irrazionale, negli animali. Gli esseri umani possono scegliere di reagire agli odori, ma possono anche ignorarli. Questo portò Broca a etichettare gli esseri umani come anosmatique , ovvero “non odoranti”, e alcuni altri animali come osmatique , ovvero “odoranti”. La nostra padronanza dell’olfatto, suggerì, ci ha reso forme di vita superiori. “Ha raggiunto questa grande conclusione”, ha detto John McGann, ricercatore olfattivo presso la Rutgers University. “E poi è morto quasi subito dopo.”

Di lì a poco, l’anatomista inglese Sir William Turner tradusse male le scoperte di Broca. Secondo lui, Broca stava traendo una conclusione sulla capacità di percepire gli odori piuttosto che sul libero arbitrio, suggerendo che gli esseri umani hanno un cattivo olfatto mentre i cani hanno un buon olfatto.

“Attraverso una serie di giochi telefonici, le persone continuavano a ripetere l’idea: ‘Oh, gli umani non hanno bisogno dell’olfatto'”, ha detto Sarah Cormiea, un ricercatore post-dottorato che studia l’olfatto presso l’Università della Pennsylvania. Freud non fu d’aiuto: nelle sue varie riflessioni nel corso del XX secolo, affermò anche che l’olfatto era un senso primitivo, semplicemente un residuo del nostro antico passato animalesco.

Non aveva tutti i torti. I ricercatori fanno risalire l’olfatto dei mammiferi a 3 miliardi di anni fa, ai batteri degli antichi oceani. Per trovare cibo e muoversi verso di esso, questi organismi rilevavano gradienti chimici. Le molecole presenti nell’acqua si agganciavano alle proteine della membrana cellulare di un batterio, innescando segnali interni che spingevano l’organismo verso concentrazioni crescenti della sostanza chimica o a evitarle. Questa capacità, chiamata chemiosensazione, è la forma più rudimentale di olfatto e presenta molti parallelismi con i sistemi olfattivi di animali complessi e multicellulari come i mammiferi. In questo senso, l’olfatto è la nostra interfaccia più antica con l’ambiente, ha affermato Matthias Laska, zoologo presso l’Università di Linköping in Svezia. “Nessuna singola cellula può vedere o sentire. Ma le singole cellule possono già rispondere alle sostanze chimiche.”

Il nostro moderno senso chimico è molto più complesso. Negli anni ’90, i futuri biologi premio Nobel Linda Buck e Richard Axel hanno scoperto geni che codificano per i recettori olfattivi nei mammiferi. Studi successivi hanno dimostrato che gli esseri umani hanno circa 400 tipi di recettori olfattivi nel naso e che milioni di questi recettori rivestono le cavità nasali. Ogni recettore è una proteina in grado di riconoscere e legarsi a molti tipi di odori: molecole sufficientemente leggere da evaporare da una tazza di caffè, dall’erba bagnata all’aperto o dai microbi presenti nelle ascelle, e diffondersi nell’aria e, a loro volta, nelle cavità nasali. Quando annusiamo una rosa, più di 800 odori diversi entrano nel naso e si legano ai recettori olfattivi presenti nelle membrane cellulari di vari neuroni, che si attivano per creare un particolare schema interpretabile dal cervello. Ci sono 5,8 milioni di molecole sulla Terra che potrebbero essere odori rilevabili dagli esseri umani, anche se nessuno ha il tempo o i mezzi per determinare se possiamo percepirli tutti, ha detto Laska. Tuttavia, tendiamo a sottovalutare il nostro olfatto perché non abbiamo un vocabolario per esprimerlo, ha detto Antoine Bierling, che studia l’olfatto presso l’Università Tecnica di Dresda. Visivamente, potremmo descrivere un ananas come un frutto giallo e verde avvolto da una buccia squamosa. Ma come descriveresti l’odore di un ananas?

“Questo odore ricorda l’ananas”, ha detto Hummel. “Ma non sappiamo come descrivere l’ananas”. Le nostre parole relative all’odore sono spesso collegate alla loro fonte: ad esempio, qualcosa ha un odore erbaceo, di cane bagnato o di ananas. Ha aggiunto: “Cosa rende l’ananas un ananas?”

Questa difficoltà nel descrivere gli odori, almeno in alcune lingue come l’inglese, ha limitato la nostra capacità di studiare i sensi umani. Diversi gruppi di ricercatori stanno ora affrontando questo problema in modo sistematico. È in gran parte misterioso il modo in cui le strutture chimiche di una molecola di odore si relazionano all’odore, ha detto Bierling. “L’unico modo per cambiare questa situazione è creare dati”.

Odori monomolecolari

Se una luce ha una certa lunghezza d’onda, descriveremo ciò che vediamo come rosso. Se un suono ha una certa frequenza, sentiremo un Fa diesis. Ma non esiste un modo altrettanto semplice per mappare gli odori, che spesso giungono al nostro naso come un bouquet di molecole diverse. Inoltre, quel bouquet può avere un odore diverso per ogni persona a seconda del contesto in cui lo percepisce e delle sue esperienze passate con quell’odore.

“Gli odori reali sono complessi e multidimensionali”, ha detto Cormiea. “Le persone non hanno una buona comprensione di quali caratteristiche di uno stimolo olfattivo, come una molecola, producano quali esperienze percettive”.

Perché un fiore ha l’odore di un fiore e cosa fa sì che il formaggio abbia l’odore di formaggio? Le molecole odorose hanno molte dimensioni che possono definire o influenzare il loro odore. Sono grandi o piccole? Con quali altre molecole interagiscono? Hanno una carica? Anche molecole che sono immagini speculari l’una dell’altra, una proprietà chiamata chiralità, possono avere un odore completamente diverso. Ad esempio, gli odori di pino e agrumi sono forme chirali opposte della molecola limonene.

Diversi studi precedenti hanno creato database di molecole olfattive per abbinare ciascuna forma molecolare a una descrizione olfattiva. La maggior parte di questi studi ha coinvolto nasi esperti, come i profumieri, o si è basata su un numero limitato di partecipanti. Ma la mappatura delle molecole olfattive richiede un set di dati molto più ampio e diversificato, che includa dati provenienti da nasi non esperti, per riflettere meglio la realtà vissuta di un senso altamente soggettivo e determinato dal contesto.

Uno studio, pubblicato nel 2016, ha chiesto a 55 persone sane, che non erano esperti qualificati, di annusare più di 450 sostanze. Fu uno “sforzo enorme”, ha detto Bierling, che non era coinvolto. I ricercatori hanno scoperto, come altri prima di loro con nasi esperti, alcune regole chimiche generali. Più atomi di zolfo c’erano in una molecola, più la molecola aveva un odore di decomposizione, di aglio o di pesce. Più grande e complessa era la molecola, più piacevole appariva alle persone che la percepivano. Ma i ricercatori hanno anche scoperto che persone diverse potevano descrivere lo stesso odore in modi ampiamente divergenti.

Bierling e i suoi colleghi volevano concentrarsi su questa scoperta e creare un set di dati ancora più diversificato. Hanno chiesto a più di 1.200 persone di valutare 74 odori, ciascuno composto da un singolo tipo di molecola. Tutti i partecipanti hanno ricevuto 10 contenitori, ognuno contenente un diverso odore monomolecolare, ed è stato chiesto loro di descrivere l’odore con parole proprie; in seguito, hanno annusato nuovamente gli odori e li hanno classificati con descrittori prestabiliti, in base a quanto fossero intensi, piacevoli, irritanti, caldi, freddi o commestibili.

Sebbene l’obiettivo principale fosse raccogliere dati, Bierling e il suo team hanno svolto alcune analisi e hanno tratto una conclusione fondamentale: “La scoperta più importante di questo set di dati è stata quella di comprendere le differenze nella percezione olfattiva”, ha affermato. Ad esempio, circa 250 partecipanti hanno descritto l’acetato di benzile come un odore simile a quello del solvente per unghie; altri 170 hanno affermato che aveva un odore simile a quello di una banana o di altri frutti.

“Entrambe le ipotesi sono corrette”, ha affermato. “In realtà, secondo me, non si tratta di semplice rumore di fondo”. L’acetato di benzile è presente sia nel solvente per unghie che nelle banane, e “gli esseri umani imparano a conoscere una molecola in un determinato contesto”, ha affermato Bierling. “Se sei cresciuto in una cultura in cui la banana è l’alimento che mangi tre volte al giorno, allora questo sarà completamente diverso per te rispetto a vivere in un posto dove non hai mai visto una banana”. Il team di Bierling non è l’unico team di ricerca ad adottare questo approccio. Il Monell Chemical Senses Center, in collaborazione con Google, ha utilizzato un database di molecole olfattive per creare uno strumento di intelligenza artificiale in grado di prevedere l’odore che le molecole dovrebbero avere. In uno studio pubblicato su Science nel 2023, hanno scoperto che il loro modello era in grado di prevedere la maggior parte degli odori, così come potrebbe farlo un essere umano, osservando solo la struttura molecolare degli odori. I ricercatori del Monell Center, in collaborazione con altri, hanno anche iniziato a raccogliere vari set di dati da diverse specie ed esperimenti in un grande database di odori chiamato “Pyrfume”.

Questi tipi di sforzi sono “importanti”, ha detto McGann, che non ha partecipato allo studio. “Si sta davvero iniziando a definire… qual è la mappatura fondamentale della struttura dell’odore nella sua percezione, almeno negli esseri umani”.

All’altro estremo del sistema, i neuroscienziati stanno cercando di capire perché il cervello percepisce un odore in un certo modo.

Il cervello crea odori

Prove fossili mostrano che circa 500 milioni di anni fa, i primi vertebrati avevano già sviluppato regioni cerebrali specializzate dedicate all’olfatto. Con la transizione degli organismi dall’acqua alla terraferma, il numero di recettori olfattivi aumentò e si svilupparono anche strutture di supporto come le narici. “Il cervello è organizzato attorno al senso dell’olfatto”, ha detto Hummel. “All’inizio c’è la respirazione, poi arriva l’olfatto con la respirazione, e poi arriva il resto del cervello”.

A differenza degli altri sensi, le informazioni olfattive non passano attraverso il talamo, una regione cerebrale evolutivamente più recente che trasmette le informazioni sensoriali ad altre parti del cervello per l’elaborazione. “Molto di ciò che sentiamo negli odori non raggiunge realmente la nostra consapevolezza cosciente”, ha affermato Parma.

Invece, l’olfatto agisce a livello subliminale, ha detto Hummel. “Modifica il tuo comportamento, ma in un modo che non noti davvero.”

Quando ce ne accorgiamo, la cosa può essere drammatica. Un profumo può scatenare un lampo di sensazioni positive o negative; potremmo anche non essere in grado di individuarne il motivo. E il processo è rapido: i segnali olfattivi viaggiano dal naso all’amigdala, il centro emozionale del cervello, e all’ippocampo, il suo centro di memoria, lungo un percorso breve, lungo solo poche sinapsi.”Nessun altro sistema sensoriale è così direttamente collegato alle emozioni e ai ricordi come l’olfatto”, ha affermato Laska. “Ecco perché gli stimoli olfattivi evocano ricordi così vividi, che possono risalire all’infanzia.”

Gran parte di ciò che sappiamo su come percepiamo gli odori deriva da studi sugli animali o da studi non invasivi sul cervello umano. Questi studi sull’uomo potevano produrre risultati solo a bassa risoluzione, a livello di popolazioni di neuroni.

Di recente, il neurobiologo Florian Mormann dell’Università di Bonn e il suo team hanno potuto osservare questo processo a una risoluzione molto più elevata: l’attività di singoli neuroni. Queste rare registrazioni sono state effettuate a partire dall’attività cerebrale di pazienti epilettici consenzienti, a cui erano già stati impiantati elettrodi nel cervello per il monitoraggio preoperatorio. Il team di Mormann ha chiesto ai partecipanti di annusare diverse penne odorose, contenenti odori come liquirizia e caffè, e ha monitorato i neuroni nelle regioni cerebrali note per essere coinvolte nell’olfatto.

Le registrazioni neuronali hanno permesso di ingrandire diverse importanti regioni cerebrali coinvolte nell’elaborazione degli odori, confermando i risultati degli studi sugli animali. Una volta che gli odori raggiungono il naso, attivano percorsi neurali verso il bulbo olfattivo, che per prima cosa analizza le informazioni. Successivamente, il segnale viaggia verso i neuroni della corteccia olfattiva primaria – la regione che include la corteccia piriforme, che codifica l’identità dell’odore – e verso l’amigdala, che contribuisce a creare una reazione emotiva all’odore (ad esempio, se è buono o cattivo). Infine, il segnale viaggia verso la corteccia olfattiva secondaria, che include l’ippocampo, che contribuisce a riconoscere e nominare gli odori. Il team ha scoperto che i neuroni della corteccia piriforme codificano meglio l’identità chimica di un odore, mentre quelli dell’ippocampo codificano meglio la sua identità percepita. Anche altre regioni cerebrali sono coinvolte in questa rete olfattiva, tra cui una corteccia olfattiva terziaria in cui le informazioni vengono integrate con quelle provenienti da altri sensi.

Dopo che i partecipanti avevano annusato le penne odorose, i ricercatori hanno mostrato loro le immagini corrispondenti a ciascuna. Hanno scoperto che i neuroni nella corteccia piriforme non rispondevano solo alle molecole odorose, ma anche a immagini o parole correlate all’odore. In altre parole, questi neuroni sono neuroni concettuali che rispondono al concetto astratto di liquirizia in generale, indipendentemente da come viene presentato. “Trovare [neuroni concettuali] nella corteccia piriforme è stato qualcosa di piuttosto inaspettato”, ha detto Mormann. Ciò suggerisce che questa regione del cervello, precedentemente associata principalmente all’elaborazione degli odori, sia anche coinvolta nell’integrazione delle informazioni sensoriali nei concetti.

La scoperta rispecchia quanto gli scienziati della vista hanno rivelato sulle aree di elaborazione visiva. Queste aree non si attivano solo quando vediamo un oggetto, ma anche quando lo immaginiamo o lo nominiamo. Con l’olfatto, “deve accadere qualcosa di simile”, ha detto Mormann. Quindi leggere la parola “liquirizia” o vederne un’immagine ci spinge anche a immaginare l’odore della liquirizia.

La ricerca rivela anche una verità più ampia sull’apparato sensoriale del cervello umano: percepiamo il mondo non solo in base alla realtà, ma anche all’esperienza e alle aspettative. La natura profondamente personale dell’olfatto ne testimonia l’importanza per le nostre interazioni e relazioni quotidiane.

Sicuramente Osmatique

Dai tempi degli antichi batteri ai primi mammiferi che vivevano accanto ai dinosauri, fino agli uomini d’affari che camminavano per le strade delle città, l’olfatto è stato fondamentale per la sopravvivenza. Lo usiamo per capire se qualcosa ci è familiare o meno, pericoloso o meno, commestibile o meno. “Sappiamo sempre di più che l’olfatto gioca un ruolo importante anche nel comportamento umano”, ha affermato Laska.

Sebbene non siamo gatti che annusano fessure alla ricerca di topi, il nostro olfatto è fondamentale per l’esperienza umana. L’olfatto è profondamente intrecciato con il gusto: le papille gustative ci forniscono esperienze ampie come sapori salati, piccanti e dolci, mentre le sfumature di un’insalata caprese con glassa balsamica provengono dal naso. L’olfatto è importante anche per le nostre interazioni con la famiglia e le nostre cerchie sociali, con studi che suggeriscono che l’olfatto può influenzare le persone con cui scegliamo di stringere amicizia o di instaurare una relazione sentimentale. Ma, forse la cosa più importante, ci aiuta a individuare le minacce. “Se non hai un buon olfatto… non senti l’odore se la tua casa sta bruciando, o se i pannolini del tuo bambino sono pieni. Non senti l’odore se il tuo cibo è andato a male”, ha detto Bierling.

Nonostante l’incomprensione secolare sulla qualità della nostra capacità di sentire gli odori, la ricerca dimostra sempre più che gli esseri umani in realtà hanno un olfatto piuttosto buono. “Il nostro olfatto umano è gravemente sottovalutato, non solo rispetto ai cani, ma anche rispetto a topi, ratti e altre specie che hanno la reputazione di essere particolarmente sensibili”, ha affermato Laska, che da decenni confronta il senso dell’olfatto tra specie diverse. Dipende semplicemente da cosa ci chiediamo di annusare.

Ad esempio, gli esseri umani sono più sensibili a certi odori, soprattutto quelli fruttati e floreali, rispetto ai cani, che “hanno la reputazione quasi mitica di essere il super naso dell’universo”, ha detto Laska. I cani sono carnivori; non c’è alcuna pressione evolutiva che li renda sensibili agli odori fruttati. Ma sono altamente sensibili a particolari acidi grassi, ad esempio, che compongono l’odore corporeo di potenziali prede. “Porterei un essere umano a scegliere il mio vino”, ha detto McGann, “ma preferisco avere un cane per trovare il cadavere nel bosco”.

Dati e studi recenti suggeriscono che “il sistema olfattivo contiene molte più informazioni strutturate di quanto si pensasse in precedenza”, ha affermato Cormiea. Questo la rende fiduciosa che potremmo essere in grado di sistematizzare ulteriormente la nostra comprensione dell’olfatto sotto forma di un naso digitale.

“La maggior parte di noi ha già un naso elettronico nella sua forma più rudimentale in casa, che è un rilevatore di fumo”, ha detto Bierling. “Questo è un naso elettronico perché rileva le sostanze chimiche presenti nell’ambiente circostante e ci avverte della loro presenza.”

I ricercatori ora vogliono fare un ulteriore passo avanti. Digitalizzando l’olfatto, sperano di creare un sistema esterno in grado di rilevare odori che potrebbero non essere così evidenti per gli esseri umani, come le molecole che evaporano dalla nostra pelle e che potrebbero suggerire una malattia. Le malattie possono alterare i marcatori infiammatori nel corpo, il che può far sì che l’odore sia leggermente diverso. Queste molecole contengono anche informazioni cruciali su ormoni, nutrizione e salute generale. “C’è molto di criptato in questo odore corporeo”, ha detto Bierling, il cui team sta lavorando per capire come vengono percepiti gli odori corporei.

Un naso digitale potrebbe anche aiutare le persone che hanno perso il senso dell’olfatto a causa dell’invecchiamento, di malattie neurodegenerative o di determinate condizioni come il Covid-19. Tali dispositivi potrebbero persino evolversi per aiutare queste persone a percepire nuovamente l’olfatto. “Sarebbe una grande conquista, [aiutare le persone] a continuare a percepire gli odori anche in età avanzata”, ha affermato Hummel.

Poiché il nostro olfatto può essere in gran parte subliminale, nei sondaggi molte persone, data la possibilità di perdere un senso, scelgono l’olfatto. Ma “ogni giorno vedo persone sedute nel mio ufficio che parlano di quanto siano disconnesse dal mondo”, ha detto Hummel. Non riescono più a sentire l’odore dei loro figli o del coniuge. Non riescono a percepire il cattivo odore del cibo o il fumo pericoloso. Non hanno più accesso a certi ricordi.

“So che il ricordo è lì, ma non ho più la chiave per aprirlo”, ha detto Hummel. “La vita diventa un posto molto più insicuro senza l’olfatto, in molti modi, ma te ne rendi conto solo quando non c’è più”.

da un recente articolo di QUANTA MAGAZINE a cura di Yasemin Saplakoglu