Besser riechen dank „Zeitschaltung“ im Gehirn

Ähnliche Gerüche werden bei  der Reizverarbeitung im Gehirn  durch subtil abgewandelte  Signale auseinandergehalten.  Dafür sind Nervenzellen mit  hemmenden Eigenschaften  wichtig, wie jetzt Hirnuntersuchungen und Verhaltensstudien an Mäusen gezeigt haben.

Gerüchen kommt im täglichen Leben eine zentrale Bedeutung zu: Riecht es schlecht, werden wir  zum Beispiel vor verdorbenem Essen  gewarnt, der Duft eines wohlschmeckenden Gerichts regt Speichelfluss  und Verdauung an. Der Geruchssinn ist eng mit dem vegetativen  Nervensystem gekoppelt, das unbewusste Funktionen im Organismus  steuert und auch unsere Emotionen  beeinflusst.

Ein Team um den Gruppenleiter Prof.  Thomas J. Jentsch und die Postdoktorandin Kathrin Gödde vom Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie  (FMP) und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der  Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) hat  zusammen mit Schweizer Kollegen  von der Universität Genf nun mehr  über diesen zentralen Aspekt der  Wahrnehmung herausgefunden.

Morsecode im Riechkolben

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschäftigten sich mit  der Frage, wie ähnliche Gerüche  auseinandergehalten werden – denn  unser Geruchssinn ist enorm fein.  Eine besondere Note in dem komplexen Duftstoff-Gemisch von frischem  Fisch kann uns verraten, ob er noch  essbar ist. Im Zentrum der Sinneswahrnehmung stehen dabei die in den eingeatmeten Düften enthaltenen  Geruchsmoleküle.

Wie ein Schlüssel ins Schloss passt  ein Geruchsmolekül in den Rezeptor auf der Oberfläche der Riechzellen in  der Riechschleimhaut. Derart stimuliert, senden die Riechzellen Signale  an den Riechkolben im Gehirn, wo sie von Mitral- und Tufted-Nervenzellen  (M/T-Zellen) zu elektrischen „Morsecodes“ verarbeitet und in andere  Gehirnbereiche weitergeleitet werden.

Jede Riechzelle trägt nur eine Sorte  eines stoffspezifischen Rezeptors und ist fest mit einer Region im Riechkolben  verdrahtet. So entsteht eine räumliche  Signatur eines Geruchs im Riechkolben. Für die feinen Unterschiede zwischen den Düften ist aber auch eine  zeitliche Kodierung unverzichtbar, wie  das Wissenschaftlerteam zeigte.

Zu ähnliche Gerüche verschieden getaktet

Um ähnliche Geruchsmoleküle auseinanderzuhalten, wird die Abfolge der Impulse im Morsecode subtil moduliert, und zuvor synchron morsende  Zellen geraten aus dem Takt. Für jeden  Duft ergibt sich ein individuelles,
zeitabhängiges Signalmuster. Bisher  wurde vermutet, dass hemmende Signale den Erregungszustand der M/T-Zellen und damit die Morsecodes in  ihrer zeitlichen Abfolge beeinflussen  und somit zur Unterscheidung ähnlicher Gerüche beitragen. Diese Frage  war bisher nicht abschließend geklärt  und war Gegenstand der Untersuchung des Forschungsteams.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler reduzierten die hemmenden Signale, welche M/T-Zellen  im Riechkolben von Mäusen von  benachbarten Nervenzellen erhielten,  indem sie den Ionentransporter Kcc2  mit genetischen Mitteln in genau diesem Zelltyp ausschalteten. Das elektrische Gleichgewicht der M/T-Zellen  war daraufhin derart verändert, dass  sie praktisch keine hemmenden Signale mehr erhielten.

Im Verhaltenstest konnten die so  genetisch veränderten Tiere eindeutig  unterscheidbare Gerüche immer noch  gut auseinanderhalten – die hemmenden Signale scheinen also keinen Einfluss auf die normale Riechfähigkeit  zu haben. Dafür konnten sie Duftstoff-Mischungen mit nur leicht verschiedenen Mischungsanteilen nicht  mehr unterscheiden. Auch in ihrer chemischen Struktur sehr ähnliche Moleküle wie etwa das (+)-Limonen  (Zitronengeruch) und das (–)-Limonen  (Terpentingeruch) konnten die Tiere  nicht auseinanderhalten.

Die Erklärung für dieses Phänomen  lieferten die Forscher der Uni Genf. Sie untersuchten die elektrischen Eigenschaften der M/T-Zellen am lebenden  Tier. Wurden die hemmenden Signale  auf die M/T-Zellen unterdrückt, waren  die Neurone stärker erregt, und auch  die Erstellung der „Morsecodes“ für  unterschiedliche Gerüche war beeinträchtigt. Die duftspezifischen Signa turen waren ähnlicher und weniger  gut unterscheidbar. Kathrin Gödde  sagt: „Unsere Ergebnisse weisen nach,  dass zeitabhängige Musterbildung in  den Signalen der M/T-Zellen mit Hilfe  neuronaler Hemmung äußerst wichtig  ist, um ähnliche Gerüche im Gehirn unterschiedlich abzubilden und eine  Geruchsunterscheidung zu ermöglichen. In dieser Klarheit hat man das  vorher nicht nachweisen können.“