Le relazioni fra l’indagine chimica e le percezioni sensoriali umane

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex presidente SCI

La comunità scientifica ha messo a punto negli anni moltissimi strumenti di misura, affinandoli e migliorandoli  sempre di più, con lo scopo di renderli capaci di esprimere in modo quantitativo e riproducibile le funzioni legate alle percezioni sensoriali dell’uomo. L’evoluzione tecnologica ed elettronica ha permesso l’ottimizzazione delle prestazioni degli organi di senso in termini di risoluzione, sensibilità, prontezza e campo di operazioni.
Gli esseri umani interagiscono con l’ambiente circostante attraverso particolari interfaccia chiamati sensi che possono essere divisi in due gruppi: quelli che rilevano quantità fisiche e quelli che rilevano quantità chimiche. L’interfaccia di tipo fisico (collegato con acustica, ottica, temperatura e interazioni meccaniche) è ben conosciuta e dispone di “controparte artificiale”. Dall’altro lato, l’interfaccia chimica (olfatto e gusto) sebbene sia ben descritta in letteratura, presenta alcuni aspetti sui suoi principi di funzionamento psicologici che non sono ancora del tutto chiari.

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Pietro_Paolini_-_Allegoria dei cinque sensi Museo di Baltimora

 

I sensi collegati al cosiddetto interfaccia fisico sono inoltre adeguatamente elaborati, verbalmente espressi, stabilmente memorizzati e completamente comunicati. Al contrario, le informazioni chimiche, a partire dal naso e dalla lingua, sono circondate da concetti vaghi e questo si riflette nella scarsa descrizione e capacità di memorizzazione nel riportare un’esperienza di gusto o una olfattiva. Il mondo animale ha sviluppato moltissimo la sensorialità chimica, mentre l’uomo ha aumentato l’interfaccia fisico, lasciando pochi dettagli di quello chimico, escludendo l’acquisizione inconscia.
Le moderne tecnologie e i computer, sempre più sofisticati, hanno agito da catalizzatori dei tempi d’analisi oltre che da agenti di implemento delle reali possibilità di calcolo e di studio delle problematiche affrontate.

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Gerard de Lairesse – Allegoria dei cinque sensi

Basti pensare al microscopio elettronico come emblema di uno sviluppo del campo visivo. E per il campo acustico è possibile fare riferimento alla scansione di un suono come spettro di ben identificabili frequenze. Per il campo del tatto le valutazioni quantitative sono correlate con le proprietà di resistenza meccanica ed elasticità dei materiali.
Nel tempo le tecniche si sono affinate, migliorandosi e consentendo maggiori campi di applicazione. Restavano fuori dalle percezioni sensoriali prese in considerazione due sensi: olfatto e gusto.
A causa di queste difficoltà intrinseche di comprensione della natura stessa di questi sensi, per molti anni si sono sviluppate solo ricerche sporadiche per ipotizzare la realizzazione di un dispositivo sensoriale elettronico. E solo verso la fine degli anni ottanta si è arrivati  a dispositivi concreti che realmente potessero essere utilizzati.

Il meccanismo biologico, attraverso il quale l’uomo sfrutta la capacità olfattiva, è costituito da passaggi complessi basati sull’individuazione degli odori tramite confronto con gli odori precedentemente classificati dalla memoria olfattiva.
L’interesse per questo “senso” così importante investiva ogni campo. Dal settore alimentare, a quello industriale, soprattutto per quello che concerne le ripercussioni ambientale, fino a quello medico sempre più bisognoso di un apporto significativo dalle comunità scientifiche nei propri rispettivi settori per apprendere e utilizzare tecniche di analisi innovative volte allo screening delle differenti patologie in modo da agire tempestivamente sul paziente migliorando la qualità della vita stessa.
I metodi “olfattometrici” consistono nel sottoporre ad un gruppo di persone opportunamente scelte (panel) la miscela odorigena a diversi livelli di diluizione. La determinazione presenta una certa riproducibilità e ripetibilità ma ha comunque limitata applicazione per la scarsa selettività e la difficoltà riscontrata in presenza di basse concentrazioni di odori.
Per valutare e gestire le emissioni odorigene è necessario quantificarle il meno soggettivamente possibile, infatti gli odori essendo percezioni sensoriali si prestano solo approssimativamente ad una loro misurazione sperimentale.
I metodi chimici quindi la ricerca analitica delle molecole odorigene soffre molto dei limiti di rilevabilità di composti dalla soglia olfattiva bassissima, come  i mercaptani. Non è inoltre possibile determinabile un potenziale odorigeno di sostanze presenti in miscele a causa di probabili effetti sinergici, mascheranti o esaltanti. La possibilità della valutazione dell’odore con un analizzatore sensoriale rappresenta una significativa novità.
La valutazione degli odori può quindi essere effettuata tramite metodiche olfattometriche, basate sulla percezione olfattiva di un panel di rivelatori o sulla risposta di un naso elettronico, o infine tramite metodiche analitiche.
Un discorso prettamente analogo si può fare per le sensazioni legate al gusto.
La possibilità di sfruttare l’uso di sensori opportuni per qualificare gli odori era già stata vagliata in campo scientifico nel 1920 da Zwaardemarker e Hogewind, i quali constatarono che una misurazione degli odori potesse essere effettuata seguendo l’andamento della carica elettrica su un sottile spruzzo d’acqua che conteneva sostanze odoranti in soluzione. Non furono peraltro in grado di sviluppare il progetto.

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Pavone servito con tutte le piume, Dettaglio dell’allegoria dell’udito, del gusto e del tatto di Jan Brueghel il Vecchio

Solo nel 1958 Hartman e Wilkans riuscirono ad approntare un sensore amperometrico come strumento sperimentale per la determinazione degli odori. Il sensore era costituito da un microelettrodo di metallo in contatto con la superficie di un’asticella saturata con un elettrolita diluito. Successivamente riuscirono a realizzare uno strumento contenente otto diversi sensori (con elettrodi metallici diversi) che fornivano risposte differenti. Il loro limite fu l’incapacità di elaborare i dati ricavati in modo opportuno.
Nel 1961 Moncrieff arrivò agli stessi risultati partendo da un approccio differente. Sfruttò nei suoi esperimenti un termistore rivestito con diversi polimeri, gelatine, grassi vegetali e lo strumento complessivo basandosi su sensori con più rivestimenti era in grado di discriminare un elevato numero di odori. (1961, by the American Physiological Society Article Special Communication An instrument for measuring and classifying odors R. W. Moncrieff An instrument for measuring and classifying odors.)
Qualche anno dopo, nel 1965 Buck e Trotter misero a punto altri sensori basati sulla variazione di conducibilità o di potenziale. Ma un vero e proprio naso elettronico costituito da una matrice di sensori per la individuazione e classificazione degli odori fu elaborato solo venti anni dopo, con esattezza nel 1982 da Persaud, Dodd e Warwic e nel 1986 da Ikegani in Giappone. Lo strumento proposto da Persaud e Dodd (Persaud, Krishna; Dodd, George (1982). “Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model nose”. Nature 299 (5881): 352–5. ) si basava sull’assunto che un allineamento di sensori chimici non selettivi, combinato con un sistema di elaborazione dati adatto, potesse “mimare” le funzioni dell’olfatto. E per l’altra interfaccia chimica, la realizzazione di alcuni nasi elettronici ha aperto la strada a svariate applicazioni pratiche e nuove possibilità in moltissimi campi dove gli odori giocavano un ruolo chiave (Gardner e Bartlett, 1992; Kress-Rogers, 1996; Hierlemann, 1996).
Oggigiorno numerosi gruppi scientifici stanno studiando e cercando di mettere a punto dispositivi commerciali. Oggi sono presenti sul mercato dei modelli di naso elettronico di gran lunga più sofisticati dei prototipi originali. Il principio su cui si basa la loro costruzione è quello di “ricalcare” concettualmente la fisiologia dell’apparato olfattivo.

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Cyranose 320 with labelling

L’olfatto umano è basato su una complessa rete di neuroni e recettori che convergono, tramite il nervo olfattivo, il segnale al sistema libico del cervello. Innescato dall’interazione delle molecole odorigene in fase vapore con i recettori situati nell’area olfattoria, il segnale giunge al cervello dove viene classificato ed eventualmente riconosciuto solo nel caso in cui l’odore sia già stato precedentemente “registrato”, ovvero l’odore deve essere noto all’individuo. Infatti non è presente nell’area olfattoria uno specifico sensore per ciascuno odore, i quali molte volte si presentano in miscele di differenti sostanze. Dopo aver annusato un odore qualsiasi, vengono stimolati numerosi recettori e coinvolti diversi neuroni e il cervello secondo un appropriato paragone ricostruisce una “electrical signature” (firma elettrica) o meglio una “impronta digitale dell’odore” che viene confrontata con quanto già in memoria, portando al riconoscimento dell’odore se già avvertito in precedenza. Per queste ragioni nel realizzare un naso elettronico si utilizza una matrice di sensori chimici e un sistema informatico di riconoscimento, in genere basato su reti neurali. La matrice di sensori chimici “emula” le proteine recettrici del naso.
Realizzare un’impronta olfattiva o un dato “qualitativo” (liberato della soggettività della misura stessa) che caratterizzasse ulteriormente le sostanze rappresentava un valore aggiunto ad una tradizionale analisi chimica. In questa ottica era inevitabile che la tecnologia finalizzasse i suoi sforzi alla messa a punto di dispositivi in grado di fornire risposte oggettive laddove l’uomo riusciva a collezionare parametri soggettivi e non riproducibili.
Lo sviluppo di nuovi sensori, e il loro uso stesso ha concesso la realizzazione di nasi elettronici e lingue elettroniche che consentivano analisi su matrici complesse allo stato liquido e gassoso.
Alle tecniche più largamente usate, come le tecniche cromatografiche che fornivano a livello qualitativo e quantitativo i differenti componenti presenti in una miscela incognita, rappresentano una valida alternativa i sensori elettronici che conducono ad una più ampia caratterizzazione del campione in esame fornendo una cosiddetta “impronta digitale” correlata alla composizione della matrice stessa.

per approfondire:

http://www.silae.it/files/Food%20analysis%20using%20artificia%20sense.pdf

2 thoughts on “Le relazioni fra l’indagine chimica e le percezioni sensoriali umane

  1. Mi pare che l’evoluzione tecnologica in questo campo sia andata di pari passo con la progressiva
    rinuncia dei chimici all’impiego dei cinque sensi “naturali” come mezzi diagnostici. La storia è lunga e le cause sono diverse. Per riassumere, cominciando dal gusto, si può ricordare che fino a 150 anni fa si ricorreva anche al sapore per caratterizzare le sostanze poi, per sacrosanti motivi, l’abitudine è cessata. Basta sfogliare un libro di chimica dell’epoca per averne testimonianza. Successivamente, e in anni più recenti, si è rinunciato al tatto. Quanti studenti di oggi, costantemente protetti dai guanti, saprebbero associare la sensazione di “scivolosità” agli alcali? Idem per l’olfatto. Essendo severamente proibito annusare qualcosa, pochi sanno riconoscere l’odore del benzene. Il colpo di grazia l’hanno dato le “riforme” didattiche e la contrazione dei tempi dedicati all’attività sperimentale. Chiedere a un neo-laureato il colore dei composti chimici più comuni vuol dire metterlo in imbarazzo, non parliamo poi della consistenza e dell’aspetto dei precipitati. Che dire? Stiamo preparando degli esperti in nanotecnologie che non saprebbero riconoscere uno sversamento accidentale di qualche comune solvente dall’odore emanato.
    Speriamo che abbiano a portata di mano il “naso” elettronico.

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