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Musterhafte Gerüche

Die Geruchswahrnehmung ist ein sehr komplexer Mechanismus, der bisher nur bruchstückhaft erforscht ist. In den letzten Jahren brachten die Wissenschaftler viel über die Reizaufnahme durch Rezeptoren der Riechzellen in der Nasenschleimhaut in Erfahrung, aber unklar ist immer noch die Reizverarbeitung und die Geruchsidentifizierung im Gehirn. Nun haben Forscher herausgefunden, dass die Signalübertragung von der Nase zum Gehirn nach einem stereotypischen Muster erfolgt.
Es passiert uns immer wieder – in einer alltäglichen Situation steigt uns ein Duft in die Nase, und wir halten inne, weil uns dieser Geruch bekannt ist, wir ihn aber nicht sofort zuordnen können. Manchmal fällt uns eine damit verknüpfte Person, ein Ort oder ein Ereignis wieder ein. Selbst Gerüche aus frühester Kindheit sind in unserem Gedächtnis verankert, doch wir erinnern uns erst daran, wenn sie uns wieder begegnen. Für einen Großteil der Säugetiere ist der Geruchsinn noch sehr viel bedeutsamer als für den Menschen. Das Erkennen von Nahrung, die Witterung von Feinden und die Partnerwahl ist von Düften abhängig. Diese lebenswichtige Identifizierung von Gerüchen müssen die Säugetiere nicht erst lernen, vielmehr werden sie instinktiv erkannt.

Über den molekularen Mechanismus der Geruchserkennung wusste man lange sehr wenig. Bekannt war, dass stimulierende Moleküle an Rezeptoren in der Nasenschleimhaut binden, die ein Signal über Neuronen an den Riechkolben schicken, das von dort zur Riechrinde des Großhirns weitergeleitet wird. Von hier gelangt der Reiz letztendlich zu übergeordneten Hirnarealen, die Gedanken und Handlungen beeinflussen, sowie dem limbischen System, das Emotionen steuert.

Die Tatsache, dass wir in unserer Nasenschleimhaut etwa tausend verschiedene Rezeptoren haben, aber mehrere tausend unterschiedliche Gerüche wahrnehmen können, hat Forscher dazu veranlasst, zunächst die Reizaufnahme zu untersuchen. So fand Linda Buck von der Harvard Medical School schon 1999 heraus, dass die Signalaufnahme und -übertragung wie ein Codesystem funktioniert. Die Rezeptoren in der Nasenschleimhaut sind nicht für einen Duftstoff spezifisch, sondern sie können mehrere Moleküle erkennen. Außerdem aktiviert ein Geruchsstoff verschiedene Rezeptorarten. Somit entsteht eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, um neuronale Signale von der Nase zum Gehirn zu senden.

Nun war aber immer noch nicht bekannt, wie das Gehirn einen Geruch identifiziert. Deshalb untersuchten Linda Buck und ihren Kollegen in neuen Experimenten die Reizübertragung vom Rezeptor zur Großhirnrinde. Dafür nahmen sie Mäuse, die zusammen mit jeweils einem Duftrezeptor einen Marker bilden. Da die Nervenzellen diesen Marker wie einen Reiz zum Riechkolben und weiter zur Hirnrinde transportieren, konnten die Wissenschaftler die Neuronen und Hirnareale sichtbar machen, die durch einen bestimmten Duft aktiviert werden.

Die Forscher konnten zeigen, dass Signale verschiedener Rezeptoren teilweise die gleichen Hirnareale aktivieren, und dass ein Signal mehrere Ziele in der Großhirnrinde hat. Somit kann ein Signal gleichzeitig auf verschiedenen Wegen im Gehirn verarbeitet werden. Weiterhin stellte sich heraus, dass Düfte die Hirnareale nicht zufällig aktivieren, vielmehr lösen sie immer die gleichen und spezifischen Neuronenverbindungen aus. Für bestimmte Geruchstypen entsteht als immer dasselbe Verbindungsmuster. Darüber hinaus konnte das Team auch sichtbar machen, dass die Signalübertragung – wie bei allen anderen Sinnessystemen auch – stereotypisch abläuft, also die räumliche Anordnung der Rezeptorzellen im Sinnesorgan der räumlichen Untergliederung der im Gehirn aktivierten Areale entspricht.

Die Wissenschaftler vermuten, dass geruchsspezifische neuronale Verbindungen "fest verdrahtet" sind und diese Signalübertragungsmuster großteils schon bei der Geburt festgelegt sind. Dies würde auch erklären, warum Gerüche bei Tieren instinktives Verhalten auslösen. Diese angeborene Geruchserkennung kann lebenswichtig sein, denn wenn eine Maus erst lernen müsste, dass der Geruch einer Katze Gefahr bedeutet, hätte sie niemals die Chance, ihr Wissen anzuwenden.

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