Riechen: Wie das Hirn Duftnoten unterscheidet

Unsere Nase kann Tausende von Gerüchen auseinanderhalten - auch von Substanzen, die sich chemisch kaum unterscheiden. Wie funktioniert das? Der Neurobiologe Jörn Niessing verortet im Riechhirn eine Art Kippschalter.

Feine Note: Das Aroma eines guten Weins entsteht aus der Komposition verschiedener Duftstoffe Zur Großansicht
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Feine Note: Das Aroma eines guten Weins entsteht aus der Komposition verschiedener Duftstoffe

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. Respekt!
VPolitologeV 09.04.2011
Ein anspruchsvoller wissenschaftlicher Artikel, der trotzdem die Anschaulichkeit wahrt!
2. Duftnoten und wie weiter?
wieneu 10.04.2011
Auch wenn der Mensch/Tier noch weiter auseinander geschraubt wird - es hilft nichts, da man nicht weiss wie das riechen an sich funktioniert. Man wird es auch nicht auf diese Weise herausfinden, da die Komplexität des Menschen nicht durch Zerlegung in seine Einzelteile begriffen werden kann. Auch wird man nicht finden, da man nicht weiss was man suchen sollte- im übrigen sollte man generell die Erkenntnisse der Quantenphysik berücksichtigen . die Beobachtung eines Versuches, bzw schon der Versuchsaufbau beeinflussen das Ergebnis. Es wird also der Medizin und den angrenzenden "Naturwissenschaften" nichts weiter übrig bleiben als in Zukunft den Menschen gesamtheitlich zu betrachten
3. Danke,
divStar 10.04.2011
ein interessanter Artikel, bei dem auch ich als nicht-Biologe einigermaßen gut folgen konnte. Ich finde es gut, dass es Menschen (Wissenschaftler) gibt, die versuchen Dinge zu erklären - statt wie einst sie von "Gott" gegeben zu sehen. Es könnte die ein oder andere Sache sicher nützlicher machen, wenn eine Erkenntnis mehr da ist. Andererseits gibt es mit Sicherheit auch Dinge, die man besser nicht herausfinden können sollte, denn während der Mensch und evtl. auch der Wissenschaftler damit nicht unbedingt böses im Sinn haben, ist die Industrie grundsätzlich als Feind in derlei Dingen anzusehen. So könnte ich mir vorstellen, dass sie dieser Erkenntnis folgert und unsere Nase ein Mal mehr austrickst - verdorbenes Fleisch sieht ja heutzutage bereits "noch gut" aus - wenn es dann auch noch "richtig" (unverdorben) riecht, wäre es für den Mensch an sich eine Katastrophe. dS.
4. ....
frau trallala 10.04.2011
Zitat von wieneuAuch wenn der Mensch/Tier noch weiter auseinander geschraubt wird - es hilft nichts, da man nicht weiss wie das riechen an sich funktioniert. Man wird es auch nicht auf diese Weise herausfinden, da die Komplexität des Menschen nicht durch Zerlegung in seine Einzelteile begriffen werden kann. Auch wird man nicht finden, da man nicht weiss was man suchen sollte- im übrigen sollte man generell die Erkenntnisse der Quantenphysik berücksichtigen . die Beobachtung eines Versuches, bzw schon der Versuchsaufbau beeinflussen das Ergebnis. Es wird also der Medizin und den angrenzenden "Naturwissenschaften" nichts weiter übrig bleiben als in Zukunft den Menschen gesamtheitlich zu betrachten
Warum denn so wissenschaftsfeindlich? Stehen die Naturwissenschaften irgendwie Ihrer Ideologie/Religion entgegen? Sie klingen jedenfalls, als ob Sie ein Problem damit hätten, wenn Dinge rein materialistisch erklärt werden können und für Hokuspokus und geheimnisvolle Kräfte keine Notwendigkeit besteht. Und was wollen sie mit dieser seltsamen esoterisch anmutenden Forderung, einen Menschen "gesamtheitlich" zu betrachten, eigentlich sagen? Was spricht dagegen, die Vorgänge in unserem Körper detaillierter verstehen zu wollen? Für den in diesem interessanten Artikel geschilderten Sachverhalt brauchen Sie weder geheimnisvolle Quanteneffekte noch sonstiges und vieles was die Verarbeitung von Gerüchen betrifft, ist mittlerweile aufgeklärt. Die Bindung eines Duftmoleküls an den entsprechenden Rezeptor löst eine sehr gut bekannte biochemische Kaskade aus, an deren Ende die Zellmembran depolarisiert und dieses Signal an weitere Zellen geleitet wird. Das im Artikel kurz angesprochene Population Coding sorgt dafür, dass wir trotz begrenzter Anzahl an verschiedenen Rezeptoren (350-400) eine Vielzahl an Gerüchen unterscheiden können (ca. 10.000). Das kommt dadurch zustande, dass ein einzelnes Duftmolekül -einfach gesagt- nur an einige unserer rund 350 verschiedenen Rezeptoren binden kann, und zwar unterschiedlich gut. Also feuert Neuron A beispeilsweise mit hoher Frequenz, Neuron B gar nicht, Neuron C einmal. Durch diese unterschiedlichen Kombinationen ergeben sich also sehr viele Möglichkeiten. Diese Informationen werden dann in höheren Hirnregionen integriert und lösen im einfachsten Fall über weitere Verschaltungen direkt ein Verhalten aus (z.B. Flucht). Purer Materialismus. Beim Menschen besonders interessant: Unser Geruchssinn ist der einzige Sinn, der den Thalamus, "das Tor zum Bewusstsein" umgehen kann. So kann ein Geruch z.B. direkt ein Gefühl oder eine Erinnerung hervorrufen ohne dass wir ihn überhaupt bewusst wahrgenommen haben, oder auch direkt im Gedächtnis gespeichert werden, ohne dass wie bei allen anderen Sinnen vorher eine Kategorisierung in wichtig und unwichtig vorgenommen wird. Vermutlich vergessen wir niemals einen Geruch. Das Thema ist wirklich interessant und ich verstehe absolut nicht, wie man sich darüber aufregen kann, dass wir unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen unseres Körpers vermehren.
5. ..
frau trallala 10.04.2011
Zitat von divStarSo könnte ich mir vorstellen, dass sie dieser Erkenntnis folgert und unsere Nase ein Mal mehr austrickst - verdorbenes Fleisch sieht ja heutzutage bereits "noch gut" aus - wenn es dann auch noch "richtig" (unverdorben) riecht, wäre es für den Mensch an sich eine Katastrophe. dS.
Dass alle bei jeder Erkenntnis immer gleich auf irgendwelche Schreckens-Anwendungen kommen ;) Zumindest was das Fleisch betrifft: Um zu verhindern, dass die Stoffe überhaupt entstehen die uns den verdorbenen Geruch signalisieren, müsste man wahrscheinlich schon deren Bildung und damit das Verderben an sich verhindern; oder einen wesentlich stärkeren anderen Geruch darüber legen, der uns sicher auch nicht entgehen würde. Gerüche "verdecken" funktioniert sowieso kaum. Schnuppern Sie z.B. mal kräftig an jemandem, der statt zu duschen versucht seinen Schweiß-Geruch mit Deo zu überdecken ;) Für die Erforschung des Geruchssinns fallen mir eigentlich wirklich keine großen Missbrauchsmöglichkeiten ein, aber wer weiß, vielleicht sind andere da kreativer...
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Auf einen Blick

Musterhafte Wahrnehmung

1 Im Riechkolben des Gehirns spiegeln sich unterschiedliche Gerüche in jeweils anderen neuronalen Aktivitätsmustern wider. Bei chemisch verwandten Substanzen ähneln sich diese zunächst stark, wie Forschungen an Zebrafischen zeigen.

2 Unterschiede zwischen den Mustern nehmen mit der Verarbeitungszeit zu, so dass ähnliche Gerüche unterscheidbar werden.

3 Der Riechkolben arbeitet dabei nach dem Kippschalterprinzip: Gehen zwei ähnliche Duftstoffe in verschiedenen Mischungsverhältnisse allmählich ineinander über, schlägt das neuronale Aktivitätsmuster plötzlich um.

Quelle
Niessing, J., Friedrich, R. W.:
Olfactory Pattern Classification by Discrete Neuronal Network States.
In: Nature 465, S. 47–52, 2010

Kurzer Wegweiser durch das Gehirn
Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
Großhirn: Spezialität des menschlichen Gehirns
Speziell für das menschliche Gehirn ist die Größe und Komplexität des Großhirns. Die Faltung seiner Oberfläche bewirkt eine enorme Oberflächenvergrößerung, so dass es die übrigen Hirnteile überwölbt. Das Großhirn ist das Zentrum für unsere geistigen und seelischen Fähigkeiten und damit für die komplexesten Gehirnleistungen. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch ein dickes Bündel Nervenfasern, den sogenannten Balken, miteinander verbunden sind.
Großhirnrinde: Sitz der "grauen Zellen"
Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.

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