Der Geruchssinn ist von entscheidender Bedeutung für unsere Wahrnehmung der Welt und spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Lebensmitteln, der Vermeidung von Gefahren und der Auslösung von Erinnerungen und Emotionen. Oft wird uns die Bedeutung des Geruchssinns erst bewusst, wenn er verloren geht, was sich auf den Geschmack und die Fähigkeit, Gefahren wie Brandgeruch zu erkennen, auswirken kann. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise des Geruchsspeichers im Gehirn, seiner neurobiologischen Grundlage und seiner Bedeutung für unser tägliches Leben.
Die neuronale Grundlage der Geruchswahrnehmung
Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB), der Universität Bonn und der Universität Aachen haben die neuronalen Mechanismen der menschlichen Geruchswahrnehmung untersucht. Ihre Forschung hat gezeigt, dass einzelne Nervenzellen im Gehirn Gerüche erkennen und spezifisch auf den Duft, das Bild und das geschriebene Wort eines Objektes reagieren, beispielsweise einer Banane.
Mittels bildgebender Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) konnten bereits Regionen des menschlichen Gehirns identifiziert werden, die an der Geruchswahrnehmung (olfaktorische Wahrnehmung) beteiligt sind. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine Methode, mit der die Aktivität des Gehirns gemessen werden kann. Diese Methoden erlauben es jedoch nicht, den Geruchssinn auf der Ebene einzelner Nervenzellen zu untersuchen. Die Forschungsgruppe um Prof. Mormann gelang es jetzt erstmals, die Aktivität individueller Nervenzellen während des Riechens aufzuzeichnen. Dies war nur möglich, da die Forschenden mit Patienten der Klinik für Epileptologie am UKB, einem der größten Epilepsiezentren Europas, zusammenarbeiten, denen aus diagnostischen Gründen Elektroden ins Gehirn implantiert wurden.
Den Studienteilnehmenden wurden angenehme und unangenehme Düfte präsentiert, wie z.B. alter Fisch. „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, Doktorand der Universität Bonn in der Arbeitsgruppe von Prof. Mormann am UKB. Die Messungen zeigten, dass unterschiedliche Hirnregionen wie die primäre Riechrinde (piriformer Kortex) und bestimmte Bereiche des medialen Schläfenlappens (Amygdala, Hippokampus und entorhinaler Kortex) an spezifischen Aufgaben beteiligt sind. Während die Aktivität der Nervenzellen in der Riechrinde am genauesten vorhersagte, welcher Duft gerochen wurde, konnte die Nervenaktivität im Hippokampus vorhersagen, ob Düfte richtig identifiziert wurden.
In einem nächsten Schritt untersuchten die Forschenden den Zusammenhang zwischen der Wahrnehmung von Düften und Bildern. Dazu präsentierten sie den Bonner Studienteilnehmenden neben dem Geruch das passende Foto, beispielsweise Duft und später ein Bild von einer Banane, und untersuchten die Reaktion der Neuronen. Erstaunlicherweise reagierten Nervenzellen in der primären Riechrinde nicht nur auf Düfte, sondern auch auf Bilder. „Dies legt nahe, dass die Aufgabe der menschlichen Riechrinde weit über die reine Wahrnehmung von Düften hinausgeht“, sagt Co-Korrespondenzautor Prof. Die Forschenden entdeckten einzelne Nervenzellen, welche spezifisch auf den Duft, das Bild und das geschriebene Wort beispielsweise der Banane reagierten. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass schon früh in der menschlichen Geruchsverarbeitung semantische Informationen verarbeitet werden. Die Resultate bestätigen nicht nur Jahrzehnte von Tierstudien, sondern zeigen auch, wie unterschiedliche Hirnregionen bei spezifisch menschlichen Funktionen der Geruchsverarbeitung mitwirken. „Dies ist ein wichtiger Beitrag auf dem Weg zur Entschlüsselung des menschlichen olfaktorischen Codes“, sagt Prof. Mormann.
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Anatomie des olfaktorischen Systems
Das olfaktorische System, auch bekannt als Geruchssystem, ist ein entscheidender Sinnesmechanismus im menschlichen Körper. Es ermöglicht es, Gerüche wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Dieses System besteht aus einer komplexen Struktur von Rezeptoren und neuronalen Verbindungen, die Geruchsstoffe in elektrische Signale umwandeln, die dann vom Gehirn verarbeitet werden.
Der Aufbau des olfaktorischen Systems ist komplex und 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.
Diese Strukturen arbeiten zusammen, um die chemischen Signale, die von Geruchsstoffen ausgehen, in elektrische Impulse umzuwandeln, die das Gehirn versteht. Wenn man an einer Blume riecht, 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.
Menschen besitzen etwa 400 verschiedene Arten von Riechrezeptoren, was ihnen die Fähigkeit verleiht, viele Tausende verschiedene Gerüche zu erkennen.
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.
Funktion des olfaktorischen Systems und sein Einfluss auf das Verhalten
Das olfaktorische System spielt eine wichtige Rolle im täglichen Leben, da es für die Erkennung und Verarbeitung von Gerüchen verantwortlich ist. Die Funktionen des Systems tragen maßgeblich zur Wahrnehmung der Umgebung, zur Auswahl von Lebensmitteln und zur Warnung vor Gefahren bei. Hier sind einige Beispiele, wie das olfaktorische System das Verhalten beeinflussen kann:
- Emotionale Reaktionen: Bestimmte Gerüche können positive oder negative Emotionen auslösen. Zum Beispiel kann der Duft von Lavendel beruhigend wirken, während Rauch Angst auslösen kann.
- Erinnerungen aktivieren: Gerüche sind eng mit Erinnerungen verknüpft. Das Riechen eines bestimmten Parfüms kann alte Erinnerungen sofort in den Vordergrund rücken.
- Verhaltensänderungen: Düfte können auch Verhaltensänderungen bewirken, wie z.B. Appetit anregen oder abstoßen.
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 Weg des Geruchs ins Gehirn: Vom Riechepithel zur Riechrinde
Der Prozess der Geruchswahrnehmung beginnt, wenn Duftmoleküle in die Nasenhöhle gelangen und an olfaktorische Rezeptoren in der Riechschleimhaut binden. Diese Rezeptoren leiten elektronische Signale an die Riechkolben weiter. Im Riechkolben wird die Geruchsinformation, vieler einzelner Duftmoleküle, zu einem Gesamteindruck zusammengesetzt. Dabei entstehen charakteristische räumliche Aktivierungsmuster, so genannte sensorische Karten.
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.
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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. 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.
Die Rolle des limbischen Systems und des Hippocampus
Der Geruchssinn ist eng mit dem limbischen System verbunden, dem Teil des Gehirns, der für Emotionen und Gedächtnis zuständig ist. Diese direkte Verbindung erklärt, warum Gerüche oft schnell und intensiv Erinnerungen und Emotionen hervorrufen. Der Hippocampus, eine Struktur im limbischen System, spielt eine entscheidende Rolle bei der Speicherung von Geruchserinnerungen.
Wenn wir einen Geruch wahrnehmen, wird diese Information nicht nur im Riechzentrum des Gehirns verarbeitet, sondern auch an das limbische System und den Hippocampus weitergeleitet. Dies ermöglicht es uns, Gerüche mit bestimmten Emotionen und Erinnerungen zu verknüpfen. Ein bestimmter Duft kann uns beispielsweise an unsere Kindheit erinnern oder ein Gefühl von Geborgenheit auslösen.
Die Plastizität des olfaktorischen Systems und die Bedeutung des Riechtrainings
Das olfaktorische System ist ein "offenes System", das sich verändern und weiterentwickeln kann. Dies ist evolutionär von Vorteil, da es uns ermöglicht, uns an veränderte Umweltbedingungen anzupassen und neue Nahrungsquellen zu erschließen.
Die Plastizität des olfaktorischen Systems ermöglicht es uns auch, unseren Geruchssinn durchTraining zu verbessern. Das sogenannte Riechtraining kann die Neubildung von Riechzellen anregen und die Fähigkeit verbessern, verschiedene Gerüche zu unterscheiden. 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. Das ist jedoch nur dann erfolgreich, wenn zumindest ein gewisser Restgeruchssinn vorhanden ist.
Riechstörungen: Ursachen, Auswirkungen und Behandlungsmöglichkeiten
Riechstörungen können durch verschiedene Faktoren verursacht werden, darunter Mutationen, Krankheiten, Medikamente, psychische Erkrankungen, Virusinfektionen, Feinstaub oder toxische Substanzen. 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: Eingeschränkte Wahrnehmung des Geruchssinns.
- Parosmie: Verzerrung des Geruchssinns.
- Anosmie: Vollständiger Verlust des Geruchssinns.
Von der Art der Störung hängt auch die Wahl der Therapiemöglichkeiten ab. Neben dem bereits erwähnten Riechtraining werden derzeit auch alternative Ansätze wie die Verwendung von Vitamin A und thrombozytenreichem Eigenblutplasma erforscht, bei denen erste vielversprechende Ergebnisse vorliegen.