Einführung
Der Geruchssinn, oft unterschätzt, spielt eine entscheidende Rolle in unserem täglichen Leben. Er beeinflusst nicht nur unseren Geschmack, sondern warnt uns auch vor Gefahren und ist eng mit unseren Emotionen und Erinnerungen verbunden. In den letzten Jahren haben Forscher bedeutende Fortschritte bei der Entschlüsselung der neuronalen Mechanismen der Geruchswahrnehmung gemacht. Dieser Artikel beleuchtet die komplexen Prozesse, die im Gehirn ablaufen, wenn wir riechen, und wie diese Erkenntnisse unser Verständnis des olfaktorischen Systems erweitern.
Aufbau der Nase: Der erste Schritt zur Geruchswahrnehmung
Bevor wir uns den Prozessen im Gehirn zuwenden, ist es wichtig, den Aufbau der Nase zu verstehen. Die Nase ist mehr als nur der äußere Teil, den wir sehen. Sie besteht aus:
- Äußere Nase: Die Basis der Nase besteht aus Knochen, während der Rest hauptsächlich aus Knorpeln besteht.
- Nasenlöcher: Hier beginnt der Weg der Duftstoffe in das Innere der Nase.
- Nasenvorhof: Der Beginn der Nasenhaupthöhle, ausgestattet mit Härchen, die grobe Schmutzpartikel filtern.
- Nasenhaupthöhle: Enthält Nasenmuscheln und Nasengänge, die die Oberfläche vergrößern und die Atemluft anfeuchten und erwärmen.
- Nasennebenhöhlen: Vier Paare von luftgefüllten Räumen, die mit der Nasenhaupthöhle verbunden sind.
- Riechepithel: Befindet sich im oberen Teil der Nasenhaupthöhle und enthält die Riechzellen.
Die Riechschleimhaut, auch Riechepithel genannt, ist ein spezialisiertes Gewebe im oberen Teil der Nasenhöhle. Hier strömt die eingeatmete Luft an freien Nervenendigungen vorbei. Die Riechschleimhaut enthält Millionen von Riechzellen, die für die Erkennung von Duftstoffen verantwortlich sind. Beim Menschen ist diese Region etwa 5 cm² groß.
Wie riechen wir? Ein detaillierter Blick auf den Prozess
Der Prozess des Riechens ist komplex und umfasst mehrere Schritte:
- Duftstoffe gelangen zum Riechepithel: Moleküle von Duftstoffen, die durch die Luft fliegen, gelangen durch die Nase zum Riechepithel.
- Sammlung und Lösung in der Schleimschicht: Die Duftstoffe werden in der Schleimschicht unterhalb des Riechepithels gesammelt und gelöst. Die Stützzellen des Riechepithels produzieren den Schleim, der die Duftstoffe bindet.
- Aufnahme durch Zilien: Die Zilien, feine Anhängsel der Riechzellen, nehmen die gelösten Duftstoffe auf.
- Signalübertragung zum Riechkolben: Die Duftstoffe gelangen über die Riechzellen zum Riechkolben, einem Teil des Gehirns.
- Verarbeitung im Gehirn: Im Riechkolben und im Gehirn werden die Geruchsinformationen verarbeitet und zugeordnet.
Die Rolle des Gehirns bei der Geruchswahrnehmung
Einzelne Nervenzellen identifizieren Gerüche
Eine aktuelle Studie von Forschern aus Bonn und Aachen hat gezeigt, dass einzelne Nervenzellen im Gehirn spezifisch auf Gerüche reagieren. Diese Nervenzellen in der primären Riechrinde reagieren nicht nur auf den Geruch eines Objektes, sondern auch auf dessen Bild und Namen.
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"Wir entdeckten, dass einzelne Nervenzellen im menschlichen Gehirn auf Gerüche reagieren. Anhand deren Aktivität konnten wir präzise vorhersagen, welcher Duft gerade gerochen wird", sagt Erstautor Marcel Kehl.
Beteiligte Hirnregionen
Verschiedene Hirnregionen sind an der Geruchswahrnehmung beteiligt:
- Primäre Riechrinde (piriformer Kortex): Hier werden Gerüche am genauesten identifiziert.
- Medialer Schläfenlappen (Amygdala, Hippokampus, entorhinaler Kortex): Diese Bereiche sind an spezifischen Aufgaben beteiligt. Die Amygdala reagiert unterschiedlich, je nachdem, ob ein Duft als angenehm oder unangenehm empfunden wird. Der Hippokampus spielt eine Rolle bei der Identifizierung von Düften.
Die Verbindung von Geruch, Bild und Name
Die Forscher fanden heraus, dass Nervenzellen in der primären Riechrinde nicht nur auf Düfte, sondern auch auf Bilder reagieren. Dies deutet darauf hin, dass die Riechrinde mehr als nur die reine Wahrnehmung von Düften leistet. Es gibt sogar Nervenzellen, die spezifisch auf den Duft, das Bild und das geschriebene Wort eines Objektes reagieren, was darauf hindeutet, dass schon früh in der Geruchsverarbeitung semantische Informationen verarbeitet werden.
Die Bedeutung des Geruchssinns für Emotionen und Erinnerungen
Gerüche sind eng mit Erinnerungen und Emotionen verknüpft. Der erste Kontakt mit einem Geruch entscheidet oft darüber, womit wir ihn assoziieren. Je tiefgreifender die emotionale Erfahrung ist, desto eher schreiben wir den Geruch einem bestimmten Erlebnis zu. Dann weckt der Geruch, wenn wir ihn wahrnehmen, immer wieder diese Erinnerung.
Das liegt daran, dass die Geruchsrezeptoren direkt mit dem limbischen System im Gehirn kommunizieren. In diesem Teil des Gehirns werden auch Emotionen verarbeitet und Erinnerungen gebildet und gespeichert. "Diese direkte Verbindung erklärt, warum Gerüche häufig schnell und intensiv Erinnerungen und Emotionen hervorrufen", sagt der Neurowissenschaftler und Geruchsforscher Johannes Frasnelli.
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Besonderheiten des Geruchssinns
- Schlaf und Geruchssinn: Während wir schlafen, ist unser Geruchssinn nicht aktiv. Das liegt daran, dass er nicht mit dem Thalamus, dem "Tor zum Bewusstsein", verbunden ist.
- Tiersekrete in Parfüms: Tierische Ausscheidungen wie Amber und Moschus werden in der Parfümindustrie eingesetzt, da sie einem Parfüm eine süßliche Note verleihen können.
- Erneuerung der Riechrezeptorzellen: Riechrezeptorzellen sind Nervenzellen, die sich ständig neu bilden. Alle sechs Wochen bis sechs Monate erneuern sie sich komplett.
- Krankheiten und Körpergeruch: Krankheiten können den Körpergeruch verändern. Metabolische Krankheiten, aber auch Bakterien und Viruserkrankungen können den Körpergeruch beeinflussen.
Schadstoffe und der Weg ins Gehirn
Die Riechschleimhaut bietet nicht nur die Möglichkeit, Gerüche wahrzunehmen, sondern auch eine potenzielle Eintrittspforte für Schadstoffe ins Gehirn. Studien haben gezeigt, dass Partikel und Schadstoffe über die Riechnerven direkt ins Vorderhirn gelangen können, ohne die Blut-Hirn-Schranke überwinden zu müssen.
Studien zu Feinstaub und Gehirnbelastung
Studien in Mexiko City, einer Stadt mit hoher Luftverschmutzung, haben gezeigt, dass sowohl Hunde als auch Kinder, die dort lebten, eine Belastung des Riechkolbens und des Vorderhirns mit Schadstoffpartikeln aufwiesen. Allerdings müssen auch andere Faktoren wie Gewebsschädigungen durch andere Schadstoffe berücksichtigt werden.
Der kurze Weg ins Vorderhirn
Weitere Studien mit radioaktiv markierten Partikeln haben gezeigt, dass diese nach Inhalation in der Riechschleimhaut und den abführenden Nerven nachgewiesen werden konnten. Eine Studie mit Iridium-Partikeln zeigte, dass die Nasenatmung zu einer deutlich höheren Belastung des Gehirns führte als die Beatmung in die tiefen Atemwege.
Diese Studien deuten darauf hin, dass Schadstoffe und Partikel tatsächlich über die Riechschleimhaut ins Gehirn gelangen können. Allerdings sind für eine gesundheitliche Beeinträchtigung hohe Konzentrationen und eine längere Exposition erforderlich.
Wie wir Gerüche erkennen und unterscheiden
Wir können bis zu 10.000 Duftstoffe unterscheiden und in unserem Gedächtnis speichern. Die Geruchs- oder Aromastoffe binden an spezielle Rezeptoren der Riechzellen, die die Information in elektrische Impulse umwandeln und an das Gehirn weiterleiten.
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Die Schutzfunktion des Geruchssinns
Der Geruchssinn hat eine wichtige Schutzfunktion. Er warnt vor Gefahren wie Feuer und verdorbenen Lebensmitteln. Der Körper reagiert im Notfall mit Schutzreflexen wie Niesen, Husten und Würgen.
Der Geruchssinn und die Partnerwahl
Forscher vermuten, dass der Geruchssinn auch bei der Partnerwahl eine Rolle spielt und dass wir einen Menschen mögen, wenn wir seinen körpereigenen Geruch "gut riechen können".
Die Anpassung an Gerüche
Wenn wir einem Geruch in gleichbleibender Stärke länger ausgesetzt sind, erfolgt eine Anpassung oder Abstumpfung. Wir nehmen den Geruch immer schwächer und nach einiger Zeit auch überhaupt nicht mehr wahr.
Das limbische System: Emotionen und Gedächtnis
Das limbische System ist eine Gruppe von Hirnstrukturen, die mit der Verarbeitung von Emotionen und mit Gedächtnisprozessen befasst sind. Es besteht aus Hippocampus, Gyrus cinguli, Gyrus parahippocampalis, Amygdala und Corpus mamillare.
Die Rolle des limbischen Systems
Das limbische System kontrolliert unser affektives Verhalten und beeinflusst Gefühle und Sexualität. Zudem spielt es eine zentrale Rolle bei der Abspeicherung von Gedächtnisinhalten und ist so an Lernprozessen beteiligt.
Der Papez-Kreis
Der Papez-Kreis ist ein neuronaler Schaltkreis, der für das Gedächtnis essentiell ist. Er läuft vom Hippocampus über den Fornix zu den Corpora mamillaria und weiter über den Thalamus zum Gyrus cinguli, der seinerseits wieder zurück zum Hippocampus projiziert.
Die Kartierung des Gehirns: Ein Blick in die Zukunft
Forscher arbeiten daran, das Gehirn und die Hirnrinde in 3D zu kartieren, um herauszufinden, wie das Gehirn kommuniziert und was in den grauen Zellen abläuft. Dies könnte auch neue Erkenntnisse über Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer liefern.
Der Zellatlas des menschlichen Gehirns
Mehrere Forscherteams haben den bislang umfangreichsten Zellatlas des menschlichen Gehirns erstellt und mehr als 3.000 Typen von Hirnzellen ermittelt. Dieser Atlas ist für alle Wissenschaftler frei zugänglich und soll helfen, besser zu verstehen, wie sich Gehirne entwickeln, wie sie altern und von Krankheiten in Mitleidenschaft gezogen werden.
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