Wie Düfte eine Bedeutung bekommen

© RUB, Kramer
Denise Manahan-Vaughan, Christina Strauch und Thu-Huong Hoang (von links) beschäftigen sich mit dem Geruchssinn

Ein Bochumer Forschungsteam hat bei Ratten künstliche Geruchsempfindungen ausgelöst – und geschaut, was dann im Gehirn passiert.

Source: Ruhr-Universität Bochum

Published: 16.09.2021

Wenn ein Geruch wahrgenommen wird, werden im Gehirn verschiedene Bereiche aktiviert. Ein Team aus der Neurowissenschaft der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat nun mit Untersuchungen an Ratten herausgefunden, dass Strukturen des Geruchsinns eng mit den Belohnungs- und Aversionssystemen des Gehirns zusammenarbeiten. So sind bei der Verarbeitung von Gerüchen neben dem Riechzentrum auch Bereiche aktiv, die für Gefühle und Werteempfinden verantwortlich sind. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Cerebral Cortex“ vom 11. August 2021 veröffentlicht.

An der Studie haben Dr. Christina Strauch, Doktorandin Thu-Huong Hoang und Prof. Dr. Denise Manahan-Vaughan aus der Abteilung für Neurophysiologie gemeinsam mit Prof. Dr. Frank Angenstein des Deutschen Zentrums für neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Magdeburg gearbeitet.

Neurodegeneration

Neurodegeneration/-/neurodegeneration

Sammelbegriff für Krankheiten, in deren Verlauf Nervenzellen sukzessive ihre Struktur oder Funktion verlieren, bis sie teilweise sogar daran zugrunde gehen. Vielfach sind falsch gefaltete Proteine der Auslöser – wie etwa bestimmte Formen der Eiweiße Beta-​Amyloid und Tau im Falle von Alzheimer. Bei anderen Krankheiten, beispielsweise bei Parkinson oder Chorea Huntington, werden Proteine innerhalb der Neurone nicht richtig abgebaut. In der Folge lagern sich dort toxische Aggregate ab, was zu den jeweiligen Krankheitserscheinungen führt. Während Chorea Huntington eindeutig genetisch bedingt ist, scheint es bei Parkinson und Alzheimer allenfalls bestimmte Ausprägungsformen von Genen zu geben, welche ihre Entstehung begünstigen. Keine dieser neurodegenerativen Erkrankungen kann bisher geheilt werden.

Geruchswahrnehmung außerhalb des Riechkolbens und des olfaktorischen Kortex

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschten, wie sich die Verarbeitung von Gerüchen auf Strukturen im Gehirn auswirkt. Sie stimulierten mithilfe von elektrischen Impulsen den Riechkolben der Versuchstiere. Danach analysierten sie die Aktivität im olfaktorischen Kortex, in dem Geruchsreize verarbeitet werden. „Dass zwischen dem Riechkolben und dem piriformen Kortex, einem Teil des olfaktorischen Kortex, ein Zusammenhang bei der Geruchswahrnehmung besteht, war bereits bekannt“, erläutert Christina Strauch, Erstautorin der Studie. „Unser Ziel war es aber, tiefer in die Hirnstrukturen einzusteigen und herauszufinden, welche Regionen wir bis jetzt unterschätzt oder übersehen haben.“ „Nur wenige Studien zur Geruchswahrnehmung haben bis jetzt Regionen außerhalb des Riechkolbens und der olfaktorischen Kortexregionen bei Nagetieren untersucht“, so Denise Manahan-Vaughan, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs 874 Integration und Repräsentation sensorischer Prozesse. „Es ist weiterhin nicht völlig klar, wie olfaktorische Gedächtnisse gebildet werden. Unser Ziel war zu klären, inwieweit Hirnstrukturen, die nicht zum olfaktorischen System gehören, an der olfaktorischen Gedächtnisbildung beteiligt sind.“

Bulbus olfactorius

Riechkolben/Bulbus olfactorius/olfactory bulb

Vorgelagerter Teil des Gehirns, der die Informationen der Riechnerven nach einer ersten Verarbeitung über den Tractus olfactorius zum Riechhirn leitet.

Nachweis der Geruchsverarbeitung im Nagetiergehirn

Für ihre Arbeit kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die elektrophysiologische Stimulation mit der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT). Mit diesem Ansatz erfasste das Team ein detailliertes Bild der neuronalen Strukturen, welche auf die Stimulation des Riechkolbens reagierten. Stark reagierende Strukturen wurden dann mit der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungsanalyse der neuronalen Genexpression weiter untersucht. Dieses Verfahren ermöglicht es festzustellen, ob Nervenzellen den olfaktorischen Reiz tatsächlich speichern: Dieses Ereignis dient als Nachweis der Gedächtnisbildung.

Und wirklich: Die Stimulation des Riechkolbens hatte zu einer veränderten Genaktivität geführt und dies sogar auch in den Nervenzellen des limbischen Kortex – also in einer Funktionseinheit, der die Verarbeitung von Emotionen zugeschrieben wird. „Die Einbeziehung dieser nichtolfaktorischen Strukturen spielt wahrscheinlich eine Schlüsselrolle bei der Speicherung von Geruchserfahrungen“, deutet Christina Strauch. „Wir lesen daraus, dass Nager während des Riechens die wahrgenommenen Gerüche schnell in die Kategorien angenehm oder unangenehm einordnen.“

Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass das olfaktorische System sowohl beim Lernen als auch bei der Gedächtnisbildung eng mit den Belohnungs- und Aversionssystemen des Gehirns zusammenarbeitet.

„Die Studie liefert uns eine weitere theoretische Grundlage dafür zu verstehen, wieso der Geruchssinn eine so besondere Rolle bei der Bildung und dem Abruf von Erinnerungen spielt“, so Denise Manahan-Vaughan, die zusammen mit Christina Strauch bereits seit 2010 gemeinsam untersucht, wie aus Gerüchen Erinnerungen entstehen.

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Funktionelle Magnetresonanztomographie/-/functional magnetic resonance imaging

Eine Modifikation der Magnetresonanztomographie oder –tomografie (MRT, englisch MRI) die die Messung des regionalen Körperstoffwechsels erlaubt. In der Hirnforschung wird besonders häufig der BOLD-​Kontrast (blood oxygen level dependent) verwendet, der das unterschiedliche magnetische Verhalten sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bluts nutzt. Ein hoher Sauerstoffverbrauch kann mit erhöhter Aktivität korreliert werden. fMRT-​Messungen haben eine gute räumliche Auflösung und erlauben so detaillierte Information über die Aktivität eines bestimmten Areals im Gehirn.

Bulbus olfactorius

Riechkolben/Bulbus olfactorius/olfactory bulb

Vorgelagerter Teil des Gehirns, der die Informationen der Riechnerven nach einer ersten Verarbeitung über den Tractus olfactorius zum Riechhirn leitet.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Emotionen

Emotionen/-/emotions

Unter „Emotionen“ verstehen Neurowissenschaftler psychische Prozesse, die durch äußere Reize ausgelöst werden und eine Handlungsbereitschaft zur Folge haben. Emotionen entstehen im limbischen System, einem stammesgeschichtlich alten Teil des Gehirns. Der Psychologe Paul Ekman hat sechs kulturübergreifende Basisemotionen definiert, die sich in charakteristischen Gesichtsausdrücken widerspiegeln: Freude, Ärger, Angst, Überraschung, Trauer und Ekel.

Originalpublikation

Christina Strauch, Thu-Huong Hoang, Frank Angenstein, Denise Manahan-Vaughan: Olfactory information storage engages subcortical and cortical brain regions that support valence
determination, in: Cerebral Cortex, 2021, DOI: 10.1093/cercor/bhab226

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