Cranial Nerve I

7/29/2019 Cranial Nerve I

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59 Cranial Nerve I :The Olfactory Nerv eH. KENNETH WALKER

Definitions

Hyperosmia is i n c r e a s e d o l f a c t o r y a c u i t y , a n d hypoosmia is

d i m i n i s h e d o l f a c t o r y a c u i t y . Anosmia, t h e i n a b i l i t y t o r e c -

o g n i z e o d o r s , m a y b e u n i l a t e r a l o r b i l a t e r a l . Dysosmia is an

a b n o r m a l s e n s e o f s m e l l .

TechniqueC a r r y a v i a l o f a n o n i r r i t a t i n g s u b s t a n c e i n y o u r b a g ; v a n i l l a ,

l e m o n , a n d f r e s h l y g r o u n d c o f f e e a r e g o o d e x a m p l e s , a n d

t o b a c c o o r s c e n t e d s o a p w i l l d o i f n e c e s s a r y . T h e s e o d o r s

s t i m u l a t e t h e o l f a c t o r y r e c e p t o r s . D o n o t u s e i r ri t a t in g o d o r s

such as camphor or menthol . T h e s e s u b s t a n c e s s t i m u l a t e

t h e t r i g e m i n a l s e n s o r y r e c e p t o r s i n a d d i t i o n t o t h e o l f a c t o r y

r e c e p t o r s , p o t e n t i a l l y g i v i n g a f a l s e r e s u l t .

I n f o r m t h e p a t i e n t t h a t y o u a r e g o i n g t o t e s t t h e s e n s e

o f s m e l l . T h e p a t i e n t p l a c e s a n i n d e x f i n g e r o v e r o n e n o s t r i l

t o b l o c k i t ( e . g . , r i g h t i n d e x f i n g e r o v e r r i g h t n o s t r i l ) . H e

o r s h e t h e n c l o s e s t h e e y e s . I n s tr u c t t he p a t ie n t t o s ni f f

r e p e t i t i v e l y a n d t o t e l l y o u w h e n a n o d o r i s d e t e c t e d , i d e n -

t i f y i n g t h e o d o r i f r e c o g n i z e d . B r i n g t h e t e s t o d o r u p t o

w i t h i n 3 0 c m o r l e s s o f t h e n o s e . D o n o t t o u c h t h e p a t i e n t

w h e n d o i n g t h e t e s t . M o v e m e n t o f y o u r b o d y w i l l g i v e a

c l u e a s t o w h e n t h e t e s t o b j e c t i s b e i n g p r e s e n t e d . D o n o t

g i v e a u d i t o r y c l u e s . R e p e a t t h e p r o c e s s w i t h t h e o t h e r n o s -

t r i l . S m e l l i s i n t a c t w h e n t h e p a t i e n t r e p o r t s d e t e c t i o n o f a n

odor . R e c o g n i t i o n o f t h e o d o r i n v o l v e s o l f a c t o r y m e m o r y ,

w h i c h i s a h i g h e r c o r t i c a l f u n c t i o n .

Basic Science

T h e o l f a c t o r y e p i t h e l i u m o c c u p i e s a b o u t 2 . 5 c m 2 o f a r e a a t

t h e a p e x o f e a c h n o s t r i l . T h i s p a t c h o f y e l l o w i s h b r o w n

m u c o s a i s l o c a t e d i n a s m a l l c a v i t y o f f t h e m a i n n a s a l p a s s a g e .

F o r t h i s r e a s o n , " s n i f f i n g " p r o v i d e s m o r e r a p i d s t i m u l a t i o n

t h a n n o r m a l b r e a t h i n g . T h e r e c e p t o r s a r e s u r r o u n d e d b y

n a s a l m u c o u s m e m b r a n e a n d a r e c o v e r e d b y a t h i n l a y e r o f

m o i s t u r e . T h e r e a r e t w o k i n d s o f r e c e p t o r s . T h e f i r s t k i n d

c o n s i s t s o f t r i g e m i n a l n e r v e f i b e r s t h a t a r e s e n s i t i v e t o i r -

r i t a t i n g s u b s t a n c e s a n d t e m p er a t u r e ; t h e n e u r o a n a t o m y i s

s i m i l a r t o t h a t o f p a i n a n d t e m p e r a t u r e r e c e p t o r s e l s e w h e r e

i n t h e b o d y .

T h e s e c o n d k i n d o f r e c e p t o r c o n s i s t s o f o l f a c t o r y n e r v e

c e l l s , w h i c h f o r m t h e r e c e p t o r f o r o l f a c t i o n . T h e s o m a , o r

b o d y , o f t h e c e l l l i e s i n t h e o l f a c t o r y e pi t h e l i u m . O l f a c t o r y

e p i t h e l i u m i s a p r i m i t i v e t y p e o f s e n s o r y e p i t h e l i u m , l e n d i n g

s u p p o r t t o t h e c o n c e p t t h a t o l f a c t i o n i s p h y l o g e n e t i c a l l y t h e

o l d e s t o f t h e s e n s e s . T h e c e l l i s b o t h a r e c e p t o r a n d a b i p o l a r

f i r s t - o r d e r n e u r o n . A s i n g l e d e n d r i t e p r o j e c t s f r o m t h e a p-

i c a l p o l e o f t h e c e l l t o t h e s u r f a c e o f t h e e p i t h e l i u m . T h i s

d e n d r i t e e n d s i n a n a p i c a l d e n d r i t i c k n o b ( o l f a c t o r y k n o b ) .

E a c h k n o b g i v e s r i s e t o 5 t o 2 0 l o n g d e l i c a t e n o n m o t i l e c i l i a ,

w h i c h e x t e n d i n t o t h e m u c u s c o v e r i n g t h e s e n s o r y e p i t h e -

lium . T h e o l f a c t o r y n e u r o n , u n l i k e m o s t o t h e r n e u r o n s , h a s

a l i f e sp a n o f o n l y 30 t o 4 0 d ay s . N e w n e u r o n s d i f f e r e n t i a t e

f r o m s t e m c e l l s i n t h e d e e p e s t o r b a s a l r e g i o n o f t h e o l f a c t o r y

e p i t h e l i u m . T h e b a s a l p o l e o f t h e n e u r o n g i v e s r i s e t o a

s i n g l e u n m y e l i n a t e d a x o n . T h e a x o n s f o r m b u n d l e s, s h e a t h e d

i n S c h w a n n c e l l s , a n d p a s s t h r o u g h t h e c r i b i f o r m p l a t e t o

s y n a p s e i n t h e o l f a c t o r y b u l b . T h e a x o n s a r e c o l l e c t i v e l y

k n o w n a s t h e o l f a c t o r y n e r v e .

T h e d e t e c t i o n t h r e s h o l d f o r o d o r a n t s i s q u i t e l o w : 1 0 - 1 3

t o 1 0 - ' i n a i r . S t u d i e s s u g g e s t t h a t t h e v o l u m e c o n c e n t r a t i o n

o f r e c e p t o r m o l e c u l e s i n t h e m u c u s i s i n t h e r a n g e o f 1 0- 6M. E a c h o l f a c t o r y n e u r o n h a s a b o u t 1 0 6 r e c e p t o r m o l e c u l e s

o n i t s c i l i a . O d o r s p e n e t r a t e t h e m u c u s o v e r l y i n g t h e s e n s o r y

e p i t h e l i u m a n d g a i n a c c e s s t o t h e r e c e p t o r s b y v i r t u e o f t h e i r

p a r t i t i o n a n d d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s i n t h e o l f a c t o r y m u c u s .

A n o d o r a n t t r a v e r s e s t h e m u c u s i n t h e r a n g e o f a f e w d o z e n

m i l l i s e c o n d s , a n d f o r m s a c o m p l e x w i t h t h e r e c e p t o r i n a b o u t

t h e s a m e t i m e s p a n . T h e o d o r a n t m o l e c u l e c o m b i n e s w i t h

i n t e g r a l m e m b r a n e p r o t e i n s t h a t f o r m t h e r e c e p t o r . T h e

p r o t e i n s a n d o d o r a n t - g a t e d c h a n n e l s t h a t m e d i a t e s e n s o r y

t r a n s d u c t i o n a r e l o c a t e d i n t h e m e m b r a n e s o f t h e o l f a c t o r y

c i l i a a n d t h e a p i c a l d e n d r i t i c o l f a c t o r y k n o b . V o l t a g e - g a t e d

c h a n n e l s , l o c a t e d i n t h e i n i t i a l a x o n a l s e g m e n t a n d t h e a x -

o l e m m a , a r e a s s o c i a t e d w i t h i m p u l s e i n i t i a t i o n a n d p r o p a -

g a t i o n . T h e s e c o n d m e s s e n g e r s y s t e m i s p r o b a b l y a G p r o t e i n -

a d e n y l a t e c y c l a s e c a s c a d e . T h e pr e c i s e m e c h a n i s m s l e a d i n g

t o d e t e c t i o n a n d i d e n t i f i c a t i o n o f o d o r s i s a n a r e a o f a c t i v e ,

v i g o r o u s r e s e a r c h . F i g u re 5 9 . 1 i l l u s t r a t e s a p o s s i b l e m o l e c -

u l a r m o d e l f o r o l f a c t o r y r e c e p t i o n .

Figure 59 .1

A most p ro ba bl e molecular model for olfactory recep tion and trans -

d u c t i o n . T h e r e c e p t o r m o l e c u l e ( R ) i s a n i n t e g r a l m e m b r a n e g l y -

coprotein with a constant ( c ) and a va ria bl e ( v ) r e g i o n . T he odorant -

o c c u p i e d r e c e p t or a c t i v a t e s a G T P - b i n d i n g p r o t e i n o r G - p r o t e i n

( G ) , w hich modulates the acti vi ty of adenylate cyclase ( C ) , a n e n -

z y m e t h a t p r o d u c e s t h e s e c o n d m e s s e n g e r , c y c l i c A M P ( c A M P ) .

T h e l a t t e r m o l e c u l e a c t i v a t e s c A M P - d e p e n d e n t p r o t e i n k i n a s e t o

c a u s e p h o s p h o r y l a t i o n o f o t h e r p r o t e i n s . P h o s p ho r y l a ti o n ( p ) o f

ion channel p olyp ep tides causes mem br ane p otential chan ges, w hile

that of the recep tor p olyp ep tide constitutes a feed ba c k m e chanism

u n d e r l y i n g a d a p t a t i o n . From L a n c e t D . Ve rte br ate olfactory recep -tion . A n n u R e v N e u r o s c i 1986 ;9 :329-55 . U s e d w i t h p e r m i s s i o n .

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3 0 6 IV . THE NEUROLOGIC SYSTEM

T h e s t r u c t u re o f t h e o l f a c t o r y b u l b i s q u i t e c o m p l e x . T h e

s t r u c t u r a l u n i t s a r e d i s c r e t e s p h e r i c a l b o d i e s , t h e g l o m e r u l i ,

a b o u t 0 .2 mm in diameter . A x o n s f r o m t h e o l f a c t o r y c e l l

( f i r s t - o r d e r n e u r o n ) s y n a p s e i n t h e g l o m e r u l i w i t h t h e p r i -

m a r y d e n d r i t e s o f t h e m i t r a l c e l l s ( s e c o n d - o r d e r n e u r o n ) .

T h e n u m b e r o f r e c e p t o r s t h a t c o n v e r g e o n t h e m i t r a l c e l l

i s v e r y l a r g e , a b o u t 1 0 0 : 1 . O t h e r c e l l t y p e s i n t h e b u l b i n -

c l u d e t h e t u f t e d c e l l s , w h o s e d e n d r i t e s a l s o p a r t i c i p a t e i n

s y n a p t i c c o n n e c t i o n s i n t h e g l o m e r u l i . T h e o l f a c t o r y b u l b s

a p p a r e n t l y p a r t i c i p a t e e x t e n s i v e l y i n t h e p r o c e s s i n g o f o l -

f a c t o r y i n f o r m a t i o n . T h e r e a r e a t l e a s t f i v e f e e d b a c k l o o p s

a n d o t h e r i n t e r c o n n e c t i o n s w i t h i n t h e b u l b . T h e r e a r e c o n -

n e c t i o n s w i t h t h e o t h e r o l f a c t o r y b u l b v i a t h e a n t e r i o r c o m -

m i s s u r e . C e n t r i f u g a l f i b e r s c o nv e y i n g i m p u l s e s f r o m t h e

b r a i n i n f l u e n c e t h e a c t i v i t y o f t h e b u l b . T h e b u l b a p p a r e n t ly

f o l l o w s t h e n e u r a l o r g a n i z a t i o n o f t h e v i s u a l a n d o t h e r s e n -

s o r y s y s t e m s . T h e r e i s a n i n t e rp l a y o f i n h i b i t o r y a nd e x c i -

t a t o r y m e c h a n i s m s a c t i n g t o p r o c e s s i n c o m i n g i n f o r m a t i o n

u n d e r t h e e f f e r e n t i n f l u e n c e o f t h e c o r t e x .

A x o n s l e a v e t h e o l f a c t o r y b u l b a s t h e o l f a c t o r y t r a c t .

T u f t e d c e l l a x o n s m a i n l y p a s s l a t e r a l l y t o t h e a n t e r i o r c o m -

m i s s u r e a n d t h e n t o t h e c o n t r a l a t e r a l o l f a c t o r y b u l b . Mi tr al

c e l l a xo n s p ro j e c t c e n t ra l l y . T h e c e n t r a l a r e a s t o w h i c h t h e

o l f a c t o r y b u l b p r o j e c t s i n c l u d e t h e a n t e r i o r p e r f o r a t e d s p a c e ,

t h e a m y g d a l o i d n u c l e u s , a n d t h e c o r t e x o f t h e p i r i f o r m l o b e .

T h e r e a r e s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y c o n n e c t i o n s w i t h v a r i o u s

o t h e r a r e a s , i n c l u d i n g t h e l i m b i c s y s t e m .

Clinical Significance

Hyperosmia, o r l o w e r e d t h r e s h o l d f o r o d o r s , o c c u r s w i t h A d -

d i s o n ' s d i s e a s e a n d m u c o v i s c i d o s i s . C l i n i c a l p e r c e p t i o n o f

h y p e r o s m i a i s o r d i n a r i l y j u s t a b o u t i m p o s s i b l e e i t h e r b y h i s -

t o r y t a k i n g o r b y b e d s i d e t e s t i n g .

Hypoosmia is u s u a l l y c a u s e d b y l o c a l p r o c e s s e s t h a t i n v o l v e

b o t h t h e n a s a l a n d o l f a c t o r y m u c o s a . E x a m p l e s i n c l u d e r h i n -

i t i s d u e t o t h e c o m m o n c o l d o r a l l e r g y , s m o k i n g , c e r t a i n

i n d u s t r i a l f u m e s , a n d i n t r a n a s a l p o l y p s o r c a r c i n o m a . Pe r -

n i c i o u s a n e m i a , d i a b e t e s , a n d v i t a m i n A d e f i c i e n c y c a u s e

d i m i n i s h e d o l f a c t o r y a c u i t y . P e r n i c i o u s a n e m i a c a n a l s o c a u s e

anosmia . H y p o o s m i a c a n o c c u r a f t e r t o t a l l a r y n g e c t o m y .

The reasons are not known .

Anosmia m a y b e b i l a t e r a l o r u n i l a t e r a l . T h e p a t i e n t c a nr e c o g n i z e b i l a t e r a l a n o s m i a , b u t u n i l a t e r a l a n o s m i a i s u s u -

a l l y n o t p e r c e i v e d . H e a d t r a u m a i s p r o b a b l y t h e m o s t f r e -

q u e n t c a u s e , w i t h a n i n c i d e n c e o f 7. 5 % i n o n e l a r g e s e r i e s .

B l o w s t o t h e o c c i p u t a r e f i v e t i m e s m o r e l i k e l y t o p r o d u c e

a n o s m i a t h a n b l o w s t o t h e f o r e h e a d b e c a u s e o f t h e c o n t r e -

c o u p e f f e c t . T h e i n j u r y c a n b e s o t r i v i a l a s t o g o a l m o s t

u n n o t i c e d . T u m o r s o f t h e f l o o r o f t h e a n t e r i o r f o s s a , s u c h

a s m e n i n g i o m a s o f t h e s p h e n o i d r i d g e o r o l f a c t o r y g r o o v e ,

c a n p r o d u c e a n o s m i a , w h i c h i s u s u a l l y u n i l a t e r a l . M e n i n g i t i s

o r a b s c e s s a s s o c i a t e d w i t h o s t e o m y e l i t i s o f t h e f r o n t a l o r

ethmoid bones can produce anosmia . C o n g e n i t a l a b s e n c e

o f s m e l l i s p r e s e n t i n a l b i n o s . Subarachnoid hemorrhage

c a n c a u s e a n o s m i a . H y s t e r i a i s a n o t h e r c a u s e f o r a n o s m i a .

H y s t e r i a c a n b e i d e n t i f i e d b y c o m p a r i n g p e r c e p t i o n f o r c o f -

f e e o r v a n i l l a w i t h a m m o n i a p e r c e p t i on . C o f f e e a n d v a n i l l a

p r i n c i p a l l y s t i m u l a t e t h e o l f a c t o r y c e l l r e c e p t o r s . Ammonia

i s a t r i g e m i n a l n e r v e s t i m u l a t o r . I n a n o s m i a o f o r g a n i c c a u s e

t h e a m m o n i a c a n b e d e t e c t e d b u t t h e c o f f e e o r v a n i l l a o d o r

cannot .

A n u m b e r o f n e u r o l o g i c a l d i s e a s e s c a u s e dysosmia, o r d y s -

f u n c t i o n o f s m e l l : A l z h e i m e r ' s d i s e a s e , K o r s a k o f f s p s y -

chosis, Huntington's chorea, and Park inson's disease .

T a b l e 5 9 . 1

E x a m p l e s o f D i s o r d e r s R e p o r t e d T o B e A s s o c i a t e d w i t h

O l f a c t o r y D y s f u n c t i o n

Source : From Doty RL, Kimmelma n CP . S m e l l a n d t a s t e a n d t h e i r d i s -

orders . In : Asbury AK, McKhann GM, McDonald WI, ed s. D i s e a s e s o f t h e

nervous system . P h i l a d e l p h i a : W . B . Saunders, 1986 ;469

Endocrine

Adrenal cortical insufficiency

C u s h i n g ' s s y n d r o m e

Diabetes mellitus

H y p o t h y r o i d i s m

K a l l m a n ' s s y n d r o m e

P r i m a r y a m e n o r r h e a

P s e u d o h y p o p a r a t h y r o i d i s m

T u r n e r ' s s y n d r o m e

Local diseases and mechanical obstruction of the airwaysAdenoid hypertrophyAllergic rhinitis

Atrophic rhinitis (Ozena)

Bronchial asthma

Deformity secondary to trauma

Exposure to toxic chemica lsLeprosyMalignant disease of paranasal sinuses with extension into the

nasal cavities

Nasal polyposis

Sinusitis

Sjogren's syndrome

Tumors of the nasopharynx with extension into the nasal

c a v i t i e s

Vasomotor rhini tis

Neurologic

Alzheimer's disease

EpilepsyHead traumaHuntington's chorea

Intracranial surgery

Multiple sclerosis

Parki nson's disease

Nutritional

Chronic renal failure

Cyanocobalamin (vitamin B12) deficiency

Korsakoff's psychosis

Psychiatric

Depression

Olfactory reference syndrome

Schizophrenia

TumorsIntracranial :

Aneurysms of the anterior communicating bifurcation

Frontal lobe gliomaHydrocephalusInternal carotid aneurysms extending over the pituitary

fossaNeuroblastomaSuprasellar meningioma

Sphenoidal ridge meningiomaOther meningiomasIntranasal :Adenocarcinoma

Inverted papillomaMelanomaSquamous cell carcinoma

Viral and infectious

Acute viral hepatitis

Herpes simplex

Influenza-like infections


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5 9 . CRANIAL NERVE I : THE OLFACTORY NERVE 307

P a t h o l o g i c c h a n g e s i n t h e o l f a c t o r y s y s t e m m a y b e a m o n g

t h e e a r l i e s t c h a n g e s i n A l z h e i m e r ' s d i s e a s e . O l f a c t o r y h a l -

l u c i n a t i o n s , u s u a l l y o f u n p l e a s a n t o d o r s s u c h a s b u r n e d r u b -

b e r , c a n o c c u r i n e p i l e p s y , w i t h d r a w a l s t a t e s , a n d c e r t a i n

p s y ch i a t ri c c on d i ti o n s . T h e a m y g d a l a m a y b e t h e s o u r c e o f

t h e s e h a l l u c i n a t i o n s .

A v a l u a b l e c l i n i c a l c o r o l l a r y i s t h a t t h e p a t i e n t o f t e n r e -

p o r t s h y p o o s m i a a n d a n o s m i a a s a d e c r e a s e d o r a b s e n t a b i l -

ity to taste food . F o r e x a m p l e , p e r n i c i o u s a n e m i a i s a l e a d i n g

p o s s i b i l i t y i n a n e l d e r l y p a t i e n t w i t h s p a s t i c p a r a p a r e s i s a n d

a n e m i a w h o c o m p l a i n s t h a t h e o r s h e n o l o n g e r e n j o y s e a t -

i n g b e c a u s e f o o d d o e s n o t t a s t e t h e s a m e .

Table 59 . 1 i s a s u m m a r y o f d i s o r d e r s a s s o c i a t e d w i t h

o l f a c t o r y d y s f u n c t i o n .

References

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Cranial Nerve I