Le strutture nervose deputate all'analisi dell'olfatto sono in grado di distinguere migliaia di odori diversi. Si ritiene che tale selettività sia ottenuta mediante l'attivazione di recettori capaci di distinguere particolari strutture chimiche. Questi recettori, sembrano essere adatti a rispondere ad estese famiglie di sostanze aventi proprietà chimiche analoghe.

Le capacità discriminative del sistema olfattivo sono decisamente notevoli. 

Le persone sono in grado recepire la presenza di una sostanza odorifera a concentrazioni dell'ordine di una parte per trilione.

Il senso dell'olfatto è dovuto a recettori situati nella profondità delle cavità nasali. Tali recettori sono localizzati nell'epitelio olfattivo che copre all'incirca 5 cm2 della parte dorso-posteriore della cavità nasale. Questo epitelio contiene cellule recettrici di sostegno e basali.
(Vedi fig.1 e 2)

I recettori sono cellule nervose bipolari. Il processo periferico si estende verso la superficie mucosa, dando origine a numerose ciglia che, nelle persone, si ritiene siano immobili. Si pensa che le ciglia interagiscano con le molecole odorifere all'interno di uno strato di muco che ricopre la superficie. Il processo centrale lungo è costituito da un assone amielinico che si unisce ad altri 10-100 assoni formando un fascio di fibre che proietta, dopo aver attraversato la lamina cribrosa, al bulbo olfattivo ipsilaterale situato sulla superficie inferiore del lobo frontale.

Le sostanze odorifere vengono anzitutto adsorbite nello strato mucoso che ricopre le cellule recettrici.

Si ritiene che le sostanze diffondano quindi verso le ciglia dei neuroni recettori o interagiscano con particolari proteine leganti presenti nella mucosa.

E' stata identificata una proteina, specifica per i tessuti nasali, che viene detta proteina legante olfattiva. Questa viene secreta dalla ghiandola nasale laterale in corrispondenza della punta della cavità nasale, è una proteina solubile e si lega con una grande varietà di sostanze odorifere strutturalmente diverse.

La proteina legante olfattiva appartiene a una famiglia di proteine che agiscono da carrier per piccole molecole lipofile.

Questa proteina è in grado di intrappolare le sostanze odorifere che penetrano nella cavità nasale, e di trasportarle all'interno della cavità stessa e forse anche di concentrarle nella zona dove sono presenti i siti recettoriali.

Secondo un'ipotesi alternativa, la proteina legante olfattiva potrebbe agire da raccoglitore o da filtro, proteggendo i neuroni olfattivi dall'esposizione a concentrazioni troppo elevate di sostanze odorifere.

Si distinguono almeno 6 qualità di odori: floreale, eterica, muschiata, canforata, putrida e pungente. La valutazione olfattiva è di tipo qualitativo-descrittiva associata ad un odore di riferimento comunemente noto (quello di un fiore, di un frutto, di un'essenza o profumo, di marcio, di materia in decomposizione, di fumo, di bruciato, di una molecola odorosa, ecc.), oppure alla reazione psicofisica del soggetto percipiente (odore appetitoso, attraente, acre, irritante, inebriante, nauseabondo, repellente, disgustoso, ecc.). Esso può essere generato da un solo componente (es. SO2, soffocante, HCN di mandorle amare,NH3 irritante, alcoli, esteri, e altri composti volatili, ciascuno col proprio odore

caratteristico, ecc.) o come effluvio di miscugli di molecole (aroma di caffé, di frutta, di vino e altre bevande alcoliche,d'essenze e profumi, puzze di prodotti di degradazione chimica e biologica, ecc.).

L'applicazione di sostanze odorifere ai neuroni olfattivi fa insorgere un potenziale di recettore depolarizzante, che determina un aumento graduale della frequenza di scarica dei potenziali di azione. Si ritiene che il potenziale di recettore dipenda dall'apertura di canali specifici per gli ioni Na+. E' possibile che il meccanismo di traduzione degli stimoli olfattivi possa comportare l' intervento di nucleotidi ciclici come secondi messaggeri. 

Un gran numero di sostanze odorifere, anche se non tutte, fanno aumentare la concentrazione dell'AMPc esaltando l'attività di una adenililciclasi nell'epitelio olfattivo.

Le sostanze che hanno profumo di frutta, di fiori o sentore erbaceo stimolano la ciclasi con efficacia massima, mentre gli odori putridi costituiscono stimoli assai più deboli.

In accordo con l'importanza della via dell'AMPc nella traduzione degli stimoli olfattivi, Randall Reed e Coll hanno clonato dall'epitelio olfattivo una proteina olfattiva specifica che lega il GTP, della famiglia delle proteine-Gs, e una adenililciclasi olfattiva specifica. Inoltre Buck e Axel hanno messo in luce la presenza di un'estesa famiglia di geni, la cui espressione è limitata all'epitelio olfattivo e che codificano proteine recettrici caratterizzate da sette tratti di catena che attraversano da parte a parte le membrane, il che fa pensare che siano associate e proteine-G.

Quando una molecola odorifera si lega alla zona del recettore sulla superficie esterna del neurone la proteina-G, associata ad una molecola di GDP, si lega alla parte intracellulare del recettore stesso. Questo determina la sostituzione del GDP con il GTP ed il distacco delle subunità a dalle subunità bg della proteina-G. La subunità a, che ora si trova legata al GTP, si associa con la porzione intracellulare dell'adenililciclasi attivandola e determinando in tal modo la produzione di numerose molecole di AMPc a partire da ATP. La subunità a, quando si trova associata alla ciclasi, acquista attività GTP-asica. L'idrolisi del GTP a GDP e Pi induce la dissociazione di a dalla ciclasi e la sua riassociazione con le subunità bg. Si arresta la produzione del secondo messaggero e la molecola odorante si distacca dal recettore.

Alcune sostanze odorifere interagiscono con recettori che attivano altre vie di secondo messaggero diverse da quelle dell'AMPc, per esempio il sistema IP3-DAG.

Quindi diversi possono essere i secondi messaggeri interessati nei processi di traduzione olfattiva ed è probabile che la stessa cosa possa accadere anche in uno stesso organismo a seconda delle sostanze odoranti prese in esame.

La scoperta di un'estesa famiglia di possibili recettori olfattivi suggerisce che vi siano centinaia di recettori, ciascuno dei quali sarebbe in grado di riconoscere una o più sostanze odorifere. Le cellule recettrici olfattive sono in grado di rispondere a parecchie sostanze odorifere diverse.

Le risposte a sostanze odorifere sono piuttosto diffuse nell'epitelio sensoriale; tuttavia sono presenti delle aree di elevata sensibilità per i singoli odori. Se si aumenta l'intensità dello stimolo, diviene possibile attivare recettori olfattivi primi silenti, localizzati sia nell'area di massima sensibilità sia nelle zone adiacenti.

La conoscenza di questi meccanismi biologici è considerata un approccio promettente per la costruzione di sistemi olfattivi artificiali. 

La costruzione di un "naso artificiale", che provveda a svolgere per via strumentale le funzioni del senso dell'odorato, previa una conoscenza approfondita dei suoi meccanismi, è molto complessa e solo in questo decennio ha presentato delle soluzioni soddisfacenti, grazie ai progressi tecnologici nel campo dei semiconduttori e allo sviluppo di algoritmi di analisi basati sulle reti neurali (ANN).

Il naso elettronico può essere definito come uno strumento che comprende una serie di sensori chimici con un appropriato modello di riconoscimento, in grado di identificare odori semplici e complessi. Esso si basa sull'emulazione del sistema olfattivo umano, in quanto la sensibilità dei sensori di cui è costituito è simile a quella dei recettori olfattivi dell'uomo. Il sistema di elaborazione dei dati è analogo al processo che accade nel bulbo olfattivo e la classificazione finale è eseguita da una rete neurale o da un tipo di analisi statistica che ricalca i meccanismi di identificazione del cervello. I glomeroli sono i primi nodi di elaborazione neurale,fig.3.

Le cellule olfattorie sono state simulate da serie ("array") o matrici di sensori di diverso tipo. Sono usati i sistemi metallo-ossido-semiconduttore MOS ("Metal-Oxide-Semiconductor"), ossidi metallici semiconduttori, (p.es. ossido di stagno drogato cataliticamente) e MOSFET ("MOS Field-effect-Electronic Transistor") ad effetto di campo, polimeri organici conduttori CP ("Conducting Polymers") I singoli sensori rispondono in genere a più di un agente odoroso e vengono applicati in serie, in modo che dalla combinazione dei loro segnali d'uscita si possano discriminare i diversi odori.

I sensori MOS

Sono sensibili ai gas combustibili, operano ad alta temperatura (250-450°C) e usano la tecnologia del film spesso: funzionano da sensori antincendio, sfruttandogli effetti della reazione di combustione di molecole, che vengono bruciate sulla superficie del sensore. Sono sensibili nei confronti degli idrocarburi gassosi, di NOx e CO, con un livello di soglia di sensibilità superiore a quello di percezione dell'olfatto umano.

Risentono dell'umidità relativa superiore al 10%. Con l'utilizzazione di una serie di sei sensori MOS, le sostanze volatili odorose disperse nell'aria o nello spazio di testa del materiale vengono rivelate per effetto del cambiamento della resistenza elettrica del semiconduttore, prodotta dalle reazioni d'ossido-riduzione delle molecole, con cui vengono a contatto.

I sensori MOSFET

I MOSFET sono transistori a effetto di campo placcati con un metallo: per reazione catalitica della molecola odorosa polare sul metallo si sviluppa H2 che, diffondendo attraverso la superficie del catalizzatore, determina una variazione di tensione che si traduce nella risposta del sensore. I singoli composti sono sensibili a differenti superfici di catalizzatori e alle diverse temperature operative.

I MOSFET sono sensori robusti, stabili e resistenti ad alte temperature, per le caratteristiche dei metalli che li ricoprono, e sono sensibili ad ammine, alcoli, aldeidi, chetoni, esteri, composti aromatici e alla maggior parte dei gas prodotti dai batteri, per cui sono indicati per l'analisi di effluenti gassosi da colture microbiologiche.

I sensori a polimeri conduttori

I polimeri organici conduttori rispondono ai composti polari, operano a temperatura vicina all'ambiente, dispongono di una grande varietà di tipi e sono prodotti per via elettrochimica.

I polimeri organici, ottenuti dalla polimerizzazione di composti eterociclici derivati dal pirrolo, dal tiofene e dall'anilina con differenti gruppi funzionali, manifestano una capacità d'adsorbimento dinamico, reversibile eselettivo delle molecole odorose, in funzione delle lacune presenti entro la struttura del polimero sensore.

I monomeri del sensore sono polimerizzati sotto condizioni strettamente controllate, per produrre polimeri aventi lacune di geometria uniforme.

Ogni tipo di polimero nella serie dei sensori, per esposizione a differenti odori e aromi, esibisce cambiamenti specifici nella resistenza elettrica, misurabili per ogni elemento della serie. Ogni sensore impiega pochi secondi per interagire con una sostanza chimica volatile e raggiungere il punto d'equilibrio. Tale equilibrio è uno stato stazionario tra l'adsorbimento e il desorbimento delle molecole volatili del campione. A questo punto si misura il rapporto della variazione della resistenza elettrica (R) del sensore, prodotta dal contatto con le molecole odorose, rispetto a quella (R °)di riferimento dell'aria pulita.

Le singole specie chimiche interagiscono con più di un sensore con differente intensità, in funzione della disposizione spaziale e della dimensione delle molecole. Il processo di rivelazione di ogni elemento sensore non è quindi specifico e dipende dal grado di adsorbimento della sostanza volatile. Esso è dipendente dal livello d'adattamento della molecola alla geometria delle lacune del polimero: più la forma della molecola si adatta nello spazio lacunare, maggiore è il segnale elettrico emesso.

Un costituente può interagire con certi sensori e non con altri. Questa interazione selettiva produce un profilo di variazioni percentuali di resistenza che vengono raccolte ed elaborate dal software di acquisizione dei dati generando l'impronta digitale dell'aroma (impronta odorosa).

Anche la concentrazione ha un suo ruolo. Le molecole che si inseriscono con difficoltà negli spazi lacunari, se sono presenti ad alta concentrazione, possono creare un segnale uguale a quello di una specie che entra facilmente nella lacuna. Quando un odore comprende numerose molecole di specie differenti l'impronta odorosa è la somma delle loro interazioni combinate con tutti i sensori della serie.

I vantaggi principali dei sensori a polimeri conduttori sarebbero:
- cinetiche di adsorbimento e desorbimento rapide e reversibili a temperatura ambiente;
- bassi consumi d'energia originati dai principi fondamentali dei polimeri conduttori e dall'elettronica speciale a bassa potenza necessaria;
- le interazioni dipendono dalla caratteristiche di polarità e di struttura spaziale delle molecole odorose. I sensori organici conduttori sono sensibili unicamente alle variazioni steriche, ioniche, idrofile e idrofobe dello spettro di molecole della sostanza odorosa;
- i composti volatili esistenti nell'ambiente, che possono avvelenare i sensori MOS inorganici, (per esempio i composti solforati) possono essere rivelati senza inattivare i polimeri.

Sono però sensibili all'umidità fino ad alte concentrazioni di vapor d'acqua, il che diventa un limite per la misura di campioni d'umidità variabile.

Il software a rete neurale artificiale per l'elaborazione dei dati

Una tecnica di trattamento dei dati acquisiti impiega una rete neurale artificiale (ANN) che impartisce l'abilità di riconoscere i profili ("pattern recognition") degli odori e classificarli in un cartellino descrittivo riferito al profilo aromatico standard. La funzione discriminante del sistema aumenta automaticamente con il numero di dati inseriti.

La rete neurale artificiale simula i processi mentali del cervello. I suoi elementi di processo, o nodi, sono affini ai neuroni cerebrali e, attraverso le loro interconnessioni, trasformano il segnale elettrico in valutazioni e associazioni d'idee e d'osservazioni sperimentali.

Il prodotto del processo ANN è un file di riconoscimento che comprende i fattori di discriminazione di una mappa dell'odore da un altra, e un cartellino di informazioni qualitative. I cartellini possono essere descrittivi, p.es "aroma di pera", di gradimento ("accetta" o "rifiuta") e di giudizio globale ("buono, cattivo" ) o a due livelli, ("cattivo/ammuffito").

Il file ANN si può usare contemporaneamente all'acquisizione dei dati per effettuare la pattern recognition e l'identificazione dell'odore in tempo reale.

Gli odori, che sono stati precedentemente "sentiti" e memorizzati nel database degli standard, sono riconosciuti con la definizione del cartellino a loro assegnato. Quelli non ancora in memoria sono indicati come "non riconosciuti". I loro dati analitici possono essere introdotti nel database per aumentare l'esperienza" del sistema.

Per creare un database di lavoro si deve presentare un campione rappresentativo di odori o aromi "normali".

Il primo obiettivo da raggiungere nell'ambito dei sensori artificiali è quello di affinare la capacità discriminante di questi rispetto ad una classe definita di odori.

Il passo successivo è di dare una descrizione quantitativa delle risposte in funzione della concentrazione dell'odorante.Tale parametro è, infatti, uno degli elementi costitutivi della valutazione olfattoria.

Una volta definite queste caratteristiche, è possibile individuare un insieme di applicazioni:

• Sensori per il controllo dell'inquinamento ambientale;
• Sistemi di allarme per laboratori o ambienti industriali, in cui si faccia uso di sostanze tossiche o pericolose;
• Sistemi per il controllo di qualità di sostanze destinate all'uso alimentare o cosmetico;
• Sistemi di controllo di processo etc.

Il naso elettronico di Tor Vergata

Presso la Sezione di Roma dell'IMM del CNR, in collaborazione con il Gruppo Sensori e Microsistemi del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università di Tor Vergata, è stato sviluppato un naso elettronico in grado di poter funzionare in numerosi contesti applicativi. Questo strumento, caratterizzato da elevata precisione, è stato concepito per la classificazione ed il riconoscimento degli odori percepibili e non percepibili dall'olfatto umano.

Esso consente analisi di tipo qualitativo, pertanto ricalca l'approccio più vicino al mondo naturale, essendo stato ideato proprio a partire dal funzionamento degli apparati biologici. Il sistema olfattivo si compone di un naso elettronico e di un personal computer ad esso connesso, dotato di un opportuno software dedicato all'elaborazione dei dati.

L'apparato sensibile(narice) è costituito da una matrice di 8 sensori al quarzo ricoperti ciascuno di una opportuna sostanza chimica (metalloporfirina), detta materiale chimicamente interattivo (MCI), con la caratteristica di non essere selettiva rispetto alle sostanze volatili presenti nell'ambiente da analizzare.

Questi sensori basano il loro principio di trasduzione su una variazione della frequenza di oscillazione; infatti quando le specie chimiche presenti nell'ambiente si legano in maniera reversibile ai Materiali Chimicamente Interattivi (MCI), la struttura si appesantisce, determinando una variazione della frequenza del quarzo. È proprio tale variazione che rappresenta la grandezza di interesse per l'analisi olfattiva e nelle otto variazioni, generalmente tutte diverse, relative agli otto quarzi, sono contenute tutte le informazioni relative alla sinergia (odore) delle specie chimiche che compongono l'atmosfera. Tali MCI svolgono la funzione di recettori, mentre le microbilance al quarzo rappresentano i trasduttori, Fig.4 Questi sensori rappresentano, nell'analogia naturale, il bulbo olfattivo con i propri recettori.

Importante è l'aspetto relativo alla disposizione dei sensori rispetto al flusso che scorre all'interno della cavità; infatti, è stato necessario assicurare a ciascuno di essi la possibilità di essere lambiti su ambo le facce da un'uguale quantità di sostanza, ma anche cercando di garantire un flusso il più possibile laminare, per evitare disuniformità di funzionamento locali, derivanti da indesiderati vortici. La funzione polmonare viene svolta da una minipompa aspirante capace di regolare il proprio flusso a seconda delle esigenze di misura e di indagine, analogamente all'azione dell'attività respiratoria biologica. Due valvole controllate elettronicamente consentono di alternare il flusso desiderato per la misura, con un flusso di ripulitura e calibrazione per il ripristino delle condizioni iniziali.

I dati vengono analizzati con una o entrambe le seguenti tecniche:

1. analisi delle componenti principali,
2. mappa auto-organizzante.

La prima consiste nel calcolare una trasformazione lineare in base alla quale i dati delle misure possono essere osservati su degli assi chiamati principali e che risultano ottimali.

L'osservazione può essere fatta considerando 2 o 3 assi e, quindi, ottenendo l'immagine olfattiva in 2 o 3 dimensioni. La trasformazione avviene normalizzando i dati e calcolando le proiezioni sugli autovettori corrispondenti ai 2 o 3 autovalori principali.

La seconda tecnica sfrutta una particolare rete neurale, auto apprendente, in grado di creare anche essa un'immagine olfattiva, ma molto più dettagliata di quella ottenuta con la PCA (Principal Component Analysis).

L'elaborazione è di tipo non lineare, pertanto le informazioni sono più approfondite. La rete SOM (Self Organizing Map) è costituita da una mappa che si automodifica in relazione agli ingressi che riceve.

Inoltre, è possibile studiare la sensibilità dei singoli sensori rispetto alle singole atmosfere analizzate, in modo da poter utilizzare i sensori migliori per le diverse situazioni di misura.

Sviluppi futuri riguarderanno il processo di miniaturizzazione del naso elettronico fino all'esplorazione della possibilità di poterlo realizzare in un unico chip di silicio, peraltro già in uno stadio avanzato di progettazione.

In campo medico sono numerosi gli esempi di sperimentazioni tuttora in corso, nelle quali il naso elettronico si è rivelato uno dispositivo molto utile se affiancato a strumenti di diagnosi già affermati:

1. analisi dell'espirato per lo studio e la diagnosi del tumore al polmone
2. analisi dell'odore della pelle,
3. analisi delle urine per lo studio e la diagnosi del tumore alla prostata,
4. analisi del melanoma della pelle.

Le grandi potenzialità del naso elettronico in medicina rispetto agli strumenti classici di diagnosi, risiedono nella possibilità di condurre esami non invasivi per il paziente, e di poter studiare delle patologie, come il tumore, in cui la presenza della malattia non è legata alla presenza di un marker riconosciuto. Le esperienze eseguite presso l'ospedale Forlanini di Roma hanno portato allo sviluppo di un protocollo per l'analisi dell'espirato di facile utilizzo. L'espirato viene raccolto in sacchetti del volume di 2 litri e di materiale inerte. Una volta raccolto l'espirato il tutto viene analizzato con il naso elettronico . Il sistema di raccolta offre tutte le garanzie di non invasività e minima resistenza all'espirazione. La fig.5 mostra una tipica immagine olfattiva determinata a valle di misure effettuate con un naso elettronico, dove un segmanto divide l'area in due parti, una riferita ai sani e l'altra ai malati. Appare quindi evidente la capacità discriminante del naso che distingue le due categorie di persone, in un reale esperimento effettuato in ospedale.

Figura 5

Altre applicazioni riguardano lo studio del tumore alla prostata dall'analisi delle urine.Con i metoditradizionali viene eseguita dapprima l'analisi del sangue per rilevare la concentrazione di un antigene la PSA. Se la concentrazione risulta elevata nel tempo viene eseguito un esame bioptico.

L'analisi con il naso elettronico, invece, si basa su uno studio dei composti volatili dei campioni di urine. Tale metodo non invasivo, a differenza dell'esame bioptico, permetterebbe di trarre utili informazioni per il tumore prostatico e più in generale di anomalie nel normale funzionamento della prostata stessa. Allo stesso modo è possibile trarre informazioni importanti anche dall'odore della pelle. E' noto la pelle ha un odore caratteristico e probabilmente l'associazione con alcune malattie non è da escludersi. La sperimentazione eseguita con il naso elettronico si propone di analizzare l'odore nelle immediate vicinanze di melanomi in modo da caratterizzarne la natura. L'aria prelevata su di essi o nelle immediate vicinanze potrebbe fornire utili informazioni sia sul tipo di odore che sulla sua dinamica.

In conclusione il prototipo di naso elettronico (ultima versione rappresentata in fig.6) sta producendo, nei diversi contesti applicativi, immagini olfattive di un certo interesse. Tale apparecchiatura sarà ancora studiata ed ottimizzata per aumentare la risoluzione e la stabilità in vista di applicazioni riguardanti la presenza di concentrazioni sempre più basse di composti volatili.

Autori ricercatori: A. D'Amico, C. Di Natale, G. Pennazza, E. Martinelli, A. Magagnano, R. Paolesse, C. Basile, L. Brogi,V. Guarnirei.

Autore: Prof.A.D'Amico
Responsabile della Sezione di Roma-IMM-CNR
Commissario straordinario dell'IDAC-CNR