Die faszinierende Funktionsweise des Gehirns bei der Verarbeitung von Düften

Der Geruchssinn ist ein faszinierender und komplexer Sinn, der eine entscheidende Rolle in unserem Leben spielt. Er beeinflusst unsere Emotionen, Erinnerungen, unser Verhalten und sogar unsere Partnerwahl. Die Verarbeitung von Düften im Gehirn ist ein vielschichtiger Prozess, der von spezialisierten Strukturen und neuronalen Netzwerken gesteuert wird. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise des Gehirns bei der Duftverarbeitung, von den ersten Schritten der Geruchserkennung bis hin zu den komplexen Verbindungen zu Emotionen und Gedächtnis.

Die Bedeutung des Geruchssinns

Der Geruchssinn ist evolutionär betrachtet eine höchst bedeutsame Informationsquelle. Das zeigt sich noch heute, denn der Riechsinn ist etwas Besonderes. Er ermöglicht es uns, eine Vielzahl von Gerüchen wahrzunehmen und zu unterscheiden, was entscheidend für die Wahrnehmung der Umwelt ist. Bestimmte Gerüche können als Warnsignal für Gefahren dienen, wie z.B. Rauch oder verdorbene Lebensmittel. Der Geruchssinn spielt auch eine wichtige Rolle bei der Identifizierung und Auswahl von Nahrungsmitteln.

Die Anatomie des olfaktorischen Systems

Das olfaktorische System besteht aus mehreren anatomischen Strukturen, die zusammenarbeiten, um Gerüche zu erkennen und zu verarbeiten. Diese Strukturen sind entscheidend für die Wahrnehmung von Gerüchen und spielen eine wichtige Rolle in unserem Alltag. Der Aufbau des olfaktorischen Systems umfasst:

• Riechschleimhaut: Befindet sich in der Nasenhöhle und enthält die Geruchsrezeptoren.
• Riechkolben (Bulbus olfactorius): Der erste Verarbeitungsort der Geruchsinformationen im Gehirn.
• Riechtrakt: Verbindet den Riechkolben mit anderen Bereichen des Gehirns.
• Primärer olfaktorischer Kortex: Verarbeitet die olfaktorischen Signale weiter im Gehirn.

Wenn wir an einer Blume riechen, binden sich die Duftmoleküle an die Rezeptoren in der Riechschleimhaut, was eine Signalkaskade auslöst, die über den Riechkolben und den Riechtrakt bis zum Gehirn gelangt.

Die Neurobiologie des olfaktorischen Systems

Die Neurobiologie des olfaktorischen Systems ist ebenso faszinierend wie komplex. Die Verarbeitung der Gerüche erfolgt in mehreren Schritten und umfasst folgende Schlüsselkomponenten:

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• Die Erregung der Riechrezeptoren, wenn Duftstoffe an sie binden, was zur Bildung eines elektrischen Signals führt.
• Die Weiterleitung dieser Signale durch neuronale Bahnen in den Riechkolben.
• Die Verteilung und Verarbeitung dieser Signale im Gehirn, insbesondere im limbischen System, das besonders für Emotionen zuständig ist.

Der Riechkolben selbst besitzt eine komplexe Struktur aus Glomeruli, die jeweils Signale von einer bestimmten Art von Rezeptor erhalten. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Spezifität in der Geruchsunterscheidung. Neue Forschungen zeigen, dass das olfaktorische System eine bemerkenswerte Plastizität besitzt und sich im Laufe des Lebens anpassen kann, um neue Gerüche zu lernen und Erinnerungen mit spezifischen Duftstoffen zu verknüpfen. Diese Anpassungsfähigkeit ist ein Schlüsselelement, das den Geruchssinn flexibel und effektiv macht.

Der Weg des Duftes durch das Gehirn

Steigt uns ein Geruch in die Nase, registrieren die Riechrezeptorzellen der Nasenschleimhaut Geruchsmoleküle. Das ist insofern besonders, dass die olfaktorischen die einzigen sensorischen Neurone bei Säugetieren sind, die direkt an der Körperoberfläche liegen - wenn auch diese spezielle Körperoberfläche tief in der Nase liegt. Sie leiten die Information über ihre Axone weiter. Und diese Axone sind nicht gerade die schnellsten. Im Gegenteil: Von allen Nervenfasern sind die Axone der Riechsinneszellen, diese Fila olfactoria, die langsamsten. Doch ob langsam oder nicht, sie bilden den eigentlichen Riechnerv, den Nervus olfactorius.

Der zieht zum Riechkolben, dem Bulbus olfactorius - einem vorgeschobenen, flachen und ovalen Teil des Großhirns. Da der die erste Umschaltstation des Riechnervs darstellt, kann man ihn durchaus als dessen Hirnnervenkern betrachten. Der Riechkolben liegt auf der Siebplatte der vorderen Schädelgrube, so dass sich die Fila olfactoria zunächst durch die vielen kleinen Löcher dieses knöchernen Siebes schlängeln müssen. Dann erst können sie sich zum Nervus olfactorius vereinen. Der bildet im Riechkolben Synapsen mit den Dendriten der Mitralzellen - so benannt, weil ihre Nervenzellkörper aussehen wie kleine Bischofsmützen. Ort der Begegnung - und damit der Umschaltung - sind die Glomeruli. Wie gut ein Lebewesen riechen kann, entscheidet sich hier: Beim Menschen enden die Axone vieler Riechsinneszellen an den Dendriten einer Mitralzelle, die Informationen laufen also konvergent zusammen. Damit sind wir Mikrosmatiker und unser Geruchssinn ist eher mäßig.

Die Axone der Mitralzellen verlassen den Riechkolben als Tractus olfactorius. Betrachtet man das Gehirn von unten, sind diese beiden Tractus mitsamt den Bulbi gut zu erkennen: Sie erinnern fast an zwei Schmetterlingsfühler, die sich von unten in den Stirnlappen einbetten. Nach drei bis vier Zentimetern teilt sich jeder dieser Fühler, in die Stria olfactoria lateralis und medialis. An dieser Gabelung bilden sie ein Dreieck, das Trigonum olfactorium, eine dünne Lage grauer Substanz. Hier sitzt der Nucleus olfactorius anterior: Er ist Umschaltstation für einige Axone des Tractus olfactorius - nämlich für die, die zum Riechkolben der anderen Gehirnhälfte ziehen. Es bearbeiten also beide Hemisphären stets die Geruchsinformationen aus beiden Nasenhöhlen, links und rechts.

Die meisten Mitralzellenaxone bleiben allerdings in der gleichen Gehirnhälfte. Der größte Teil läuft als lateraler Strang zur Area praepiriformis, die als primäre Riechrinde gilt. Die Rinde dort ist relativ dünn und auf Zellularebene recht einfach gestrickt - darauf kommen wir noch zurück. Andere Fasern ziehen zu den Kernen des Septums und über das Tuberculum olfactorium zu Thalamus und Hypothalamus. Zur Riechrinde wird auch ein Teil der Amygdala gezählt und darüber erreichen olfaktorische Signale das limbische System. Nicht zuletzt sendet die Riechrinde Fasern direkt zum Hippocampus, der die Gerüche im Gedächtnis verankert.

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Die Rolle des Allocortex

Der älteste Teil des Großhirns befasst sich mit dem Schnüffeln: Das Riechhirn verarbeitet und diskriminiert Geruchseindrücke. Mit dabei ist der Riechkolben, der an Schmetterlingsfühler erinnert. Der Paleocortex ist als ältester Teil des Großhirns für den Geruchssinn zuständig. Von den Rezeptorzellen in der Nasenschleimhaut laufen die Signale über den Riechkolben zur primären Riechrinde, ohne vorherige Umschaltung im Thalamus. Paleocortex - in einigen Büchern auch Paläocortex geschrieben - nennt sich die Region des Gehirns, die für den Geruchssinn zuständig ist. Der entwicklungsgeschichtliche Begriff Paleo bedeutet urzeitlich und betont damit, dass es sich um den ältesten Teil der Großhirnrinde handelt. Doch das Alter wird nicht gewürdigt - der Neocortex hat den Paleocortex im Laufe der Evolution auf die vordere untere Fläche der beiden Hemisphären verdrängt.

„Allo“ bedeutet „anders“ - der Allocortex ist also Hirnrinde, die anders ist. Im Gegensatz zum Isocortex, der überall aus sechs Schichten aufgebaut ist, besteht der Allocortex - vermutlich - aus nur drei Schichten. Ganz außen liegt die Molekularschicht, die Lamina molecularis: In ihr verzweigen sich die Dendriten der Pyramidenzellen aus der mittleren Schicht, der Pyramidenzellschicht (Lamina pyramidalis). Deren Axone ziehen durch die darunterliegende Lamina multiformis, die Nervenzellen unterschiedlichster Gestalt enthält, ins Großhirnmark. Zwischen Lamina molecularis und Lamina multiformis gibt es demnach nur eine einzige Nervenzellschicht - beim Isocortex sind es vier: abwechselnd zwei Körnerzellschichten und zwei Pyramidenzellschichten. Die Schichtenanzahl im Allocortex kann allerdings stark variieren. Selbst die Lehrbücher sind sich sehr uneins, wie viele es denn nun normalerweise sind. Einige nennen drei bis fünf, andere sprechen von höchstens vier, wiederum andere beschränken sich auf „meistens drei“.

Der Einfluss des olfaktorischen Systems auf Verhalten

Das olfaktorische System hat einen starken Einfluss auf unser Verhalten, da es direkt mit Bereichen des Gehirns verbunden ist, die Emotionen und Erinnerungen steuern. Bestimmte Gerüche können positive oder negative Emotionen auslösen. Zum Beispiel kann der Duft von Lavendel beruhigend wirken, während Rauch Angst auslösen kann. Gerüche sind eng mit Erinnerungen verknüpft. Das Riechen eines bestimmten Parfüms kann alte Erinnerungen sofort in den Vordergrund rücken. Düfte können auch Verhaltensänderungen bewirken, wie z.B. Appetit anregen oder abstoßen. Ein klassisches Beispiel ist der Geruch nach frisch gebackenem Brot, der bei vielen Menschen Heißhunger auslöst und zum Kauf animiert.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Menschen unbewusst Gerüche wahrnehmen können, die zu subtil sind, um bewusst bemerkt zu werden, was dennoch das Verhalten beeinflussen kann. Das olfaktorische System spielt auch eine Rolle bei der nonverbalen Kommunikation. Studien belegen, dass Menschen, ähnlich wie Tiere, Pheromone wahrnehmen können, die unbewusst soziale Interaktionen und die Partnersuche beeinflussen. Diese chemischen Signale sind subtil und oft nicht bewusst erkennbar, können aber entscheidend das soziale Miteinander lenken.

Der "Duftmanager" im Gehirn

Der piriforme Kortex ist das eigentliche Duft-Verteilersystem im Riechhirn. Es fungiert als eine Art „Duftmanager“ und sendet die jeweiligen Duftreize zu spezifischen Gehirnarealen weiter. Der piriforme Kortex, der eng mit dem zentralen Kern unseres Emotionszentrum zusammenarbeitet, verfügt über erstaunliche Fähigkeiten. Er kann nicht nur die Wirkung von Parfüm und Duft auf Bewusstsein, Stimmung und Emotion verstärken. Er kann auch dem ihm vorgelagerten, eng mit der Nase verbundenen Riechkolben vorschreiben, was und wie etwas zu riechen ist. Das kann so weit gehen, dass eine bestimmte Substanz gar nicht gerochen, an ihr nicht weitergerochen oder nur teilweise beschnüffelt wird - je nachdem, was der piriforme Kortex und sein System als wichtig empfinden.

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Auch entscheidet der piriforme Kortex, was, wie und wo etwas zur Geruchsweiterverarbeitung in andere Gehirnregionen gegeben wird. Dabei hat er eine sehr emotionale, oft schreckhaft riechende Verbündete: die Amygdala. Sie riecht in der Regel immer mit und tauscht sich mit dem piriformen Kortex über den Geruchseindruck aus. Das Ergebnis kann in einer Rückschleife auch dem Riechkolben gemeldet werden. Die Wirkung von Parfüm und Geruch auf Bewusstsein, Stimmung und Emotion wird so von einem interessanten Duftmanager geleitet.

Mit dem piriformen Kortex haben wir eine Art kleinen Mann im Gehirn, der nicht nur sanft zuflüstert, wie mit einem Geruchsreiz umgegangen werden soll. Er kann als Duftmanager entscheiden, dass ein Geruch direkt in einer Region im Gehirn, beispielsweise in den orbitofrontalen Kortex (OFC), weitergeleitet wird. Letzterer steuert im Netzwerk Persönlichkeitsmerkmale wie Extraversion und Gewissenhaftigkeit und wird laut Erkenntnissen der Neuroparfümerie durch bestimmte Parfüms und Gerüche (z. B. frische Zitrusnoten) besonders gern stimuliert. Der piriforme Kortex hat also als Duftmanager auch Einfluss auf unsere Persönlichkeit, die er mit olfaktorischen Impulsen motiviert.

Wir riechen zweimal

Offenbar riechen wir im Gehirn das allermeiste zweimal. Zunächst erst unbewusst mit dem Emotionszentrum und dort im Besonderen mit der Amygdala. Sie trifft die Vorentscheidung, ob ihr ein Duft gefühlsmäßig zusagt oder nicht. Danach wird in höheren Gehirnregionen, wie dem orbitofrontalen Kortex (OFC), bewusst gerochen. Hier geht es unter anderem in einer eher kognitiven Entscheidung darum, ob z. B. ein Parfüm seinen Preis wert ist.

In der Forschung wird diskutiert, ob an der Amygdala vorbeigerochen werden kann. Zumindest ist es physiologisch möglich. Zwischen dem PC und dem OFC bestehen direkte neuronale Verbindungen und sogar umgekehrt, die vor allem beim „Duftneulernen“ aktiviert werden. Theoretisch wäre es daher möglich, dass wir auch ohne den emotionalen Input der Amygdala riechen können. Sicherlich ist es auch möglich, dass nur die Amygdala und ihr Netzwerk riechen, ohne dass der Dufteindruck dem OFC weitergeben wird. Das scheint besonders der Fall, wenn die Amygdala einen Duftreiz als nicht relevant empfindet. Die Amygdala und ihr Netzwerk sind eine Art emotionales Frühwarnsystem, dass aber auch auf positive Empfindungen anspricht und sie sucht.

Häufig liegen Amygdala und OFC bei der Duftentscheidung deshalb miteinander im Streit. Die Amygdala fühlt sich z. B. mit dem Parfüm wohl, der OFC jedoch signalisiert, dass man sich das Parfüm eigentlich nicht leisten kann. Raten Sie mal, wer gewinnt, wenn ein Parfüm die Amygdala wirklich fasziniert und der Kauf finanziell noch ganz knapp möglich ist. Richtig, die Amygdala! Die Vernunft kommt gegen das Gefühl wieder einmal - wie so oft im Leben - nicht an.

Geruch und Gedächtnis

Gerüche wecken häufig bestimmte Erinnerungen in uns, denn die Nase und die Gedächtnisleistung sind laut wissenschaftlichen Erkenntnissen miteinander verknüpft. Bestes Beispiel: die Sonnencreme. Wer die Creme öffnet, nimmt den typischen Geruch wahr und verknüpft dies mit Sonne, Wasser, Strand und Sand. Aber warum ist das so? Das Riechorgan und das Emotionszentrum sind direkt miteinander verknüpft, was die Erinnerungsfunktion durch den Duft-Trigger erklärt.

Wer einen bevorzugten Duft wahrnimmt, aktiviert damit seinen Hippocampus sowie die Amygdala. Der Geruchssinn wurde noch vor dem Höheren und Sehen in der Evolutionsgeschichte ausgeprägt. Er diente und dient nach wie vor als echter Überlebenskompass, u. a. bei der Partnerwahl oder bei der Auswahl von Nahrungsmitteln.

Die Bedeutung des Geruchssinns für die Partnerwahl

Der Duft spielt auch bei der Partnerwahl eine wesentliche Rolle. Die Geruchsattraktivität entscheidet darüber, wer zu uns passt: wo die Chemie sprichwörtlich stimmt. Studien haben festgestellt, dass unsere Gene mitverantwortlich für die Geruchsattraktivität sind. Die Immungene der Paare waren unterschiedlich, was darauf schließen lässt, dass wir uns einen Partner mit gegensätzlichen Immungenen aussuchen.

Training des Geruchssinns

Manchmal kann es durch unterschiedliche Ursachen und Umstände zur Störung des Ortungssystems Nase kommen. Allerdings kann jeder selbst an der Sensibilität seiner Nase arbeiten, beispielsweise mit ganz gezieltem Geruchstraining. Durch dieses Training kann das Riechvermögen sensibilisiert und gesteigert werden. Durch das gezielte Riechtraining werden Bilder im Kopf mit bestimmten Düften verknüpft.

Mit regelmäßigen Duftproben kann der Geruchssinn trainiert werden, denn die Sinneszellen werden dadurch neu gebildet. Am besten mit intensiven Gerüchen beginnen: Zwiebeln, Kaffee oder Eukalyptus eignen sich als intensive Gerüche besonders gut dafür. Die Duftproben lassen sich optimal in Einmachgläser lagern. Für das Dufttraining am besten täglich vier verschiedene Geruchsstoffe wählen, zehn Minuten daran riechen und dann wieder verschließen und wegstellen. Empfehlenswert ist solch eine Testprozedur über ca. vier Monate, denn der Geruchssinn benötigt Zeit, um sich zu konditionieren und zu verbessern. Nach dieser Zeit kann es an das sensitivere Training gehen. Neben den besonders intensiven Düften kommen nun auch feinere Noten hinzu. Vanille, Ananas oder Kakao eignen sich optimal. Auch hier gilt es, die Sensibilisierung über einen längeren Zeitraum zu üben, immer wieder neue Duftnoten ins Repertoire aufzunehmen. Dann kann es in das blinde Duft-Training übergehen.

Beeinträchtigungen des Geruchssinns

Der Geruchssinn kann durch Mutationen eingeschränkt sein, aber auch durch Krankheiten verloren gehen. Zum Beispiel bei Krebs- und Asthma-Patienten durch Medikamente, durch psychische Erkrankungen wie Neurosen, Virusinfektionen, Feinstaub oder toxische Substanzen. Riechstörungen können aber auch ein Warnsignal sein und lange auftreten, bevor Krankheiten ausbrechen. Das ist bekannt bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Multipler Sklerose und Parkinson.

Die Störung oder der Verlust des Geruchssinns können sowohl reversibel als auch nicht umkehrbar sein. Besonders auffällig ist das im Fall von Covid-19. Hier kam es häufig zu einem Verlust von Geruchs- und/oder Geschmackssinn. Dabei passiert in der Nase Folgendes: Die Riechzellen befinden sich auf einer Seite der Riechschleimhaut und sind von Stützzellen umgeben, die sie umschließen. Das Virus infiziert diese Stützzellen und schädigt oder zerstört sie. Dadurch kommt es zu einer Entzündung, die wiederum dazu führt, dass die Riechzellen beeinträchtigt werden. In der Folge kann es Wochen, Monate oder sogar Jahre dauern, bis sie sich wieder regenerieren - und in manchen Fällen gelingt dies möglicherweise gar nicht.

Geruchsstörungen lassen sich generell in drei Kategorien einteilen: "Hyposmie" tritt auf, wenn Betroffene ihren Geruchssinn nur eingeschränkt wahrnehmen können. Bei einer "Parosmie" handelt es sich um eine Verzerrung des Geruchssinns. Wenn keinerlei Gerüche mehr wahrgenommen werden können, spricht man von "Anosmie". Von der Art der Störung hängt auch die Wahl der Therapiemöglichkeiten ab. Riechforscherin Antje Hähner vom Universitätsklinikum Dresden empfiehlt das sogenannte Riechtraining, das durch monatelanges Üben die Neubildung von Riechzellen anregen kann: Dafür schnuppern Patienten täglich an mit verschiedenen Gerüchen ausgestatteten Fläschchen und versuchen dabei, die wahrnehmbaren Unterschiede bewusst im Gehirn zu verankern.

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