Riechen: Wie das Hirn Duftnoten unterscheidet

Ein vielschichtiges Bouquet aus schwarzen Johannisbeeren, ein an Bleistiftspäne erinnerndes Aroma, verfeinert durch dezente Noten von Rauch, Leder und Schokolade - Weinliebhaber verfügen über ein phantasievolles Vokabular, um ihren geliebten Rebensaft zu beschreiben. In der Tat erweist sich die Wahrnehmung von Gerüchen als faszinierend, oft aber auch als unberechenbar. So beruht die Johannisbeernote eines guten Rotweins auf einer stark verdünnten Substanz namens Mercaptomethylpentanon. In hohen Konzentrationen riecht die Chemikalie jedoch nach - Katzenurin.

Noch vertrackter wird es, wenn sich Gerüche mischen. Rosenduft etwa besteht aus einer Mixtur von über 500 Substanzen, doch schon die Komponente Geraniol allein reicht aus, um uns an eine Rose denken zu lassen. Andere Duftmischungen ergeben wiederum vollkommen neue Sinneseindrücke, die nur noch schwach oder gar nicht an die einzelnen Bestandteile erinnern.

Die Vorgänge im Gehirn, auf denen solche Phänomene beruhen, erscheinen bis heute noch vielfach rätselhaft. Klar ist nur: Gerüche werden nicht einfach von den Riechzellen in der Nase registriert. Vielmehr gibt deren Erregung nur den Startschuss für eine komplizierte Verarbeitung der Sinnesdaten in den neuronalen Netzwerken des Riechsystems.

Dabei extrahiert das Gehirn die wichtigsten Informationen aus einer Flut von eingehenden Signalen, bewertet sie und setzt sie in Beziehung zu bisherigen Erfahrungen. Zunächst muss das Riechhirn die empfangenen Sinneseindrücke auf Basis ihrer chemischen Eigenschaften in verschiedene Kategorien einsortieren. Die dabei zugrunde liegenden Prinzipien haben wir in unserer Arbeitsgruppe am Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research in Basel näher untersucht. Wir stießen auf erstaunliche Eigenschaften des Riechsystems, die einige mysteriöse Geruchsphänomene erklären könnten.

Bevor das neuronale Netz des Riechhirns Geruchsdaten weiterverarbeitet, ist schon einiges geschehen. Beim Menschen tasten etwa 350 verschiedene Typen von Riechzellen in der Nase die chemische Zusammensetzung des Dufts ab und übersetzen die Sinneseindrücke in elektrische Signale - die Sprache des Nervensystems. Dieses erste Abbild der Geruchswelt wird zur weiteren Analyse im Gehirn an den sogenannten Bulbus olfactorius oder Riechkolben weitergeleitet. Hier enden die Nervenfortsätze der Sinneszellen und nehmen Kontakt mit nachgeschalteten Neuronen auf, die aufgrund ihrer an Bischofsmützen erinnernden Gestalt "Mitralzellen" genannt werden. Die Kontaktstellen erscheinen als kleine, kugelförmige Strukturen, die "Glomeruli", und bilden somit die erste Station der Geruchsverarbeitung.

Riechende Fische

Um herauszufinden, wie die Glomeruli auf bestimmte Geruchsstoffe reagieren, injizierten 1997 Rainer Friedrich und Sigrun Korsching vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen Fluoreszenzfarbstoffe in die Nasen von Zebrafischen. Die Farbstoffe leuchteten auf, sobald Kalzium in die Sinneszellfortsätze der Glomeruli einströmte; die Forscher konnten mit dieser Methode "glomeruläre Geruchskarten" anfertigen.

Dabei spiegelte die Aktivität der Glomeruli unmittelbar die chemischen Eigenschaften des Dufts wider: Verschiedene Gerüche aktivierten unterschiedliche Bereiche, wie sich am Beispiel der Aminosäuren Arginin und Alanin erkennen lässt.

Schwierig wird es, wenn das Gehirn ähnliche Geruchsstoffe, wie etwa Alanin und Serin, unterscheiden soll. Denn annähernd gleich aussehende Aktivitätskarten können nicht nur von chemisch verwandten Substanzen erzeugt werden, sie entstehen auch bei ein und demselben Duftstoff in verschiedenen Konzentrationen. Im ersten Fall muss das Riechhirn die beiden ähnlichen Eingangssignale voneinander "separieren", um die zwei Düfte als "ungleich" zu werten; im zweiten steht es hingegen vor der Aufgabe, über die Unterschiede in den Aktivitätsmustern quasi hinwegzusehen, sie also zu "generalisieren". Nur so können zwei Sinneseindrücke als identisch erkannt werden. Diese Vorgänge klingen trivial, doch stecken hochkomplizierte Verrechnungen dahinter, bei denen sich die Mitralzellen des Riechkolbens als die Hauptakteure erweisen.

Ein Duftstoff, der von den Riechzellen registriert wurde, aktiviert eine ganze Batterie von Mitralzellen. Jedes einzelne dieser Schaltelemente des Riechkolbens trägt also nur ein Bruchstück der Geruchsinformation in sich. Der neuronale Code eines Dufts spiegelt sich demnach nicht im Erregungsmuster einzelner Neurone wider, sondern in der koordinierten Aktivität vieler, teils verteilter Mitralzellen; wir sprechen daher von einem Populationscode. Allerdings sehen auch diese Kodes für chemisch verwandte Stoffe zunächst einmal sehr ähnlich aus - sie sind stark miteinander korreliert.

Wie der Riechkolben des Zebrafisches die gleichartigen Aktivitätsmuster unterscheidbar macht, konnte Rainer Friedrich - nun zusammen mit dem Hirnforscher Gilles Laurent vom California Institute of Technology in Pasadena (US-Bundesstaat Kalifornien) - 2001 aufklären: Das nachgeschaltete Netzwerk des Riechkolbens vergrößert die kleinen Unterschiede in den Populationsmustern der Mitralzellen binnen einer Sekunde. Dadurch laufen die Codierungen für jeden einzelnen Geruchsstoff auseinander, und die anfänglich ähnlichen Muster werden im Zuge dieser "Dekorrelation" unterscheidbar. Wie dies im Einzelnen vor sich geht, ist noch nicht geklärt. Wir vermuten, dass eine komplizierte Verrechnung zwischen den erregenden Mitralzellen und nachgeschalteten, hemmenden Neuronen im Riechhirn dahintersteckt.

Es stellt somit eine aktive Leistung des Gehirns dar, ähnliche Geruchsstoffe voneinander zu unterscheiden. Doch bei diesem Mechanismus ergibt sich ein Problem: Wenn das Netzwerk des Riechhirns stets kleine Aktivitätsdifferenzen verstärkt, dann sollten auch die Aktivitätsmuster unterschiedlicher Konzentrationen desselben Dufts immer größer werden. Wie kann ein Geruch in verschiedenen Konzentrationen dann aber als gleich wahrgenommen werden? Verfügt das Riechhirn über zwei verschiedene Verarbeitungswege? Oder kann ein und dasselbe Netzwerk kleine Aktivitätsunterschiede verschiedener Gerüche verstärken, während es gleichzeitig konzentrationsbedingte Abweichungen davon verschont?

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• 1. Teil: Wie das Hirn Duftnoten unterscheidet
• 2. Teil: Nasen unterm Mikroskop