Die Anatomie des Duftes

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Direkter geht es nicht: Wenn ein Duft in die Nase steigt, gelangt er auf unmittelbarem Weg in den Riechkolben des Gehirns. Hier werden verschiedene Geruchsinformationen zu einem Gesamteindruck abgemischt.

Wissenschaftliche Betreuung: Frank Zufall

Veröffentlicht: 27.11.2013

Das Wichtigste in Kürze
  • Duft setzt sich aus chemischen Molekülen zusammen, die sich an die Geruchsrezeptoren der Riechzellen im Riechepithel der Nasenhöhle heften.
  • Die Riechzellen reichen bis in den Riechkolben des Gehirns. Die Geruchsinformation rast daher auf direktem Weg dorthin.
  • Im Riechkolben wird die Geruchsinformation, vieler einzelner Duftmoleküle zu einem Gesamteindruck zusammengesetzt. Dabei entstehen charakteristische räumliche Aktivierungsmuster, so genannte sensorische Karten.
Riechen in 3D?

Zwei Nasenhaupthöhlen, zwei Riechepithele, zwei Riechkolben – man sollte meinen, dass dieser Aufbau – ähnlich wie beim Hören – hilft, mit dem Geruch auch gleich die Richtung seiner Quelle auszumachen. Doch weit gefehlt: Wir können zwar riechen, was da duftet oder stinkt, aber nicht, wo – zumindest dann nicht, wenn es sich um eine reine Geruchsinformation handelt. Gesellt sich zur olfaktorischen Information noch eine weitere hinzu, etwa das stechende Empfinden, das Lacke und Lösungsmittel verursachen, das Kratzen von Rauch oder das Beißen von Essig oder Chlor, können wir uns zumindest eine grobe Vorstellung von der Richtung machen, aus der die jeweilige Note kommt.

Besser funktioniert das räumliche Riechen bei Drosophila. Die Taufliege nimmt Gerüche mit ihren Antennen auf, die links und rechts vom Kopf sitzen – zwei separate Nasen also, statt nur zwei eng beieinanderliegende Nasenhöhlen. 2007 veröffentlichte ein Forscherteam von der Rockefeller University in New York Untersuchungsergebnisse zum räumlichen Riechen bei Drosophila. Sie züchteten dazu Fliegenlarven, bei denen das Geruchsorgan auf jeweils einer Kopfseite defekt war und keine Geruchsrezeptoren enthielt. Tatsächlich taten sich diese Tiere schwerer, eine Duftquelle auszumachen, die den Geruch reifer Bananen verströmte, als Fliegen mit zwei funktionierenden Antennen, die Geruchsinformationen aus verschiedenen Richtungen miteinander abgleichen können.

Sex smells

In der Tierwelt geht es auch in Sachen Sex immer der Nase nach. Viele Wirbeltiere besitzen dafür ein eigenes Organ, das sich im olfaktorischen System befindet: Das Vomeronasalorgan, auch “Jacobson-Organ” genannt. Es handelt sich dabei um eine separate chemisch sensitive Region in der Nasenhöhle, deren Sinneszellen mit speziellen Geruchsrezeptoren bestückt sind. Die Sinneszellen des Vomeronasalorgans werden von Pheromonen stimuliert, bestimmte Geruchssignale, die der Kommunikation dienen. Sie signalisieren beispielsweise, in welcher hierarchischen Position sich ein Tier befindet oder ob es paarungsbereit ist. Die Informationen gelangen dann über den akzessorischen Riechkolben zum Hypothalamus.

Beim Menschen entsteht das Vomeronasalorgan im Verlauf der Embryonalentwicklung, bildet sich dann aber bis auf einen rudimentären Rest zurück. Bei manchen lassen sich die Überbleibsel dieses Organs als winzige Einbuchtung rechts und links der Nasenscheidewand ausmachen, die in einen blinden Schlauch münden. Bei anderen findet man diese Öffnungen nicht. Die Funktion eines solchen Organs ist beim Menschen höchst umstritten – was nicht heißt, dass wir für Duftbotschaften völlig unempfänglich sind: Sehr junge Säuglinge erkennen etwa ihre Mutter und deren Brust am Geruch. Außerdem zeigen Versuche, bei denen sich der Zyklus von Frauen allein über – nicht einmal wahrnehmbare – Duftproben von Geschlechtsgenossinnen mit deren Zyklus synchronisiert, dass auch beim Menschen Pheromone eine gewisse Wirkung tun. Ein Vomeronasalorgan ist dafür offensichtlich nicht nötig, die Riechschleimhaut genügt.

Nase

Nase/Nasus/nose

Das Riechorgan von Wirbeltieren. In der Nasenhöhle wird die Luft durch Flimmerhärchen gereinigt, im oberen Bereich liegt das Riechepithel, mit dem Gerüche aufgenommen werden.

Hypothalamus

Hypothalamus/-/hypothalamus

Der Hypothalamus gilt als das Zentrum des autonomen Nervensystems, er steuert also viele motivationale Zustände und kontrolliert vegetative Aspekte wie Hunger, Durst oder Sexualverhalten. Als endokrine Drüse (die – im Gegensatz zu einer exokrinen Drüse – ihre Hormone ohne Ausführungsgang direkt ins Blut abgibt) produziert er zahlreiche Hormone, die teilweise die Hypophyse hemmen oder anregen, ihrerseits Hormone ins Blut abzugeben. In dieser Funktion spielt er auch bei der Reaktion auf Schmerz eine wichtige Rolle und ist in die Schmerzmodulation involviert.

Hmmm, wie das duftet – ein Stück frisches Brot, dazu ein reifer französischer Käse und ein Gläschen dunkelroter Wein. Allein der Geruch von Speisen, die wir mögen, weckt die Lust darauf. Er hilft, sie zu identifizieren, aber auch zu erkennen, ob sie bekömmlich oder vielleicht gesundheitsschädlich sind. Was faulig riecht oder gar nach verdorbenem Fleisch, ruft Ekel hervor und warnt, bei diesen Speisen zuzugreifen. Warnung mag uns ein unangenehmer Geruch aber auch sein, wenn aus einem Raum Gefahr droht, wenn etwa Rauch in der Luft hängt oder es bestialisch nach Fäkalien stinkt.

Der Geruch selbst – egal ob wohlriechend oder ekelerregend – ist ein chemischer Reiz. Er besteht aus kleinen Molekülen in der Luft, die beim Einatmen auf unser Riechorgan stoßen. Das ist übrigens nicht, wie häufig fälschlicherweise angenommen, die Nase. Diese stellt eher ein Tor zur Welt des Geruchs dar: Beim Einatmen saugt sie die Luft aus der Umgebung an und transportiert sie zum so genannten Riechepithel, einer feinen Zellschicht ganz oben in der Nasenhaupthöhle. Rund 10 Quadratzentimeter misst das menschliche Riechepithel. Das ist vergleichsweise klein: Hunde etwa warten – je nach Rasse – mit bis zu 170 Quadratzentimetern auf und besitzen zudem über 100 Mal mehr Rezeptorzellen pro Quadratzentimeter als Homo sapiens.

Nase

Nase/Nasus/nose

Das Riechorgan von Wirbeltieren. In der Nasenhöhle wird die Luft durch Flimmerhärchen gereinigt, im oberen Bereich liegt das Riechepithel, mit dem Gerüche aufgenommen werden.

Drei Zelltypen für den Duft

Das Riechepithel besteht hauptsächlich aus drei verschiedenen Zelltypen: Neben den eigentlichen Riechzellen finden sich hier Stützzellen sowie Basalzellen, aus denen ständig Nachschub an neuen Riechzellen heranreift. Diese haben nämlich nur eine Lebenszeit von wenigen Wochen, sterben dann ab und werden durch neue Riechzellen ersetzt.

Anders als der Name vermuten lässt, erfüllen auch die Stützzellen eine wichtige Funktion beim Riechen. Sie produzieren unter anderem Schleim, in dem sich die Duftmoleküle aus der eingeatmeten Luft lösen, bevor sie zu den Riechrezeptoren gelangen. Darüber hinaus schützt der Schleim durch darin enthaltene Antikörper das Gehirn vor Bakterien und Viren, die sich über das Riechepithel einschleichen könnten.

Die Hauptakteure sind jedoch die Riechzellen, auch olfaktorische Rezeptorneurone genannt, die Geruchsinformationen direkt ans Zentrale Nervensystem (ZNS) weiterleiten. Sie besitzen an dem einen Ende lange dünne Zilien, die von einer Verdickung ausgehen, dem so genannten Riechkegel. Die Zilien sind mit Geruchsrezeptoren besetzt und ragen in den Schleim des Riechepithels hinein. Dort treten sie in Kontakt mit den darin gelösten Duftmolekülen. Heften sich diese Moleküle an die Geruchsrezeptoren, kommt es zur Depolarisation der Membran: Positiv geladene Natrium– und Kalzium-​Ionen strömen ins Zellinnere, negativ geladene Chlorid-​Ionen strömen hinaus. Dadurch verändern sich die elektrischen Eigenschaften der Zelle. Aus dem chemischen Reiz wird ein elektrischer, der in Form eines Aktionspotenzials durch das Axon in Richtung ZNS rast.

Die US-​Forscher Linda Buck und Richard Axel, die für ihre Forschungsarbeiten rund um das olfaktorische System 2004 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet wurden, entdeckten 1991, dass Ratten mehr als 1.000 verschiedene Gene für Duftrezeptoren besitzen. In jedem ist der Bauplan für einen Rezeptor verschlüsselt, der sich von allen anderen Duftrezeptoren unterscheidet und der nur ganz bestimmte Duftmoleküle erkennt. Das menschliche Riechorgan ist mit rund 350 verschiedenen funktionstüchtigen Rezeptorgenen und der entsprechenden Anzahl an Rezeptortypen weniger gut bestückt. Der Rest ging im Laufe der Evolution verloren und findet sich im Genom nur noch in Form von funktionslosen Pseudogenen.

Sehr wahrscheinlich wird in jeder Riechzelle nur jeweils eines dieser Gene exprimiert, sodass das Riechepithel über eine ganze Bandbreite an unterschiedlichen sensorischen Zellen verfügt, die jeweils für eine kleine Gruppe von Duftmolekülen zuständig sind.

Depolarisation

Depolarisation/-/depolarisation

Die Abnahme des Membranpotenzials (Richtung 0 mV) aus dem Ruhepotenzial, welches zwischen dem Inneren der Zelle und dem Außenraum gemessen wird und eine Differenz von –70 mV aufweist.

Aktionspotenzial

Aktionspotenzial/-/action potential

In erregbaren Zellen (z. B. Neuronen oder Muskelzellen) findet man sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-​oder-​Nichts-​Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.

Axon

Axon/-/axon

Das Axon ist der Fortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung eines Nervenimpulses zur nächsten Zelle zuständig ist. Ein Axon kann sich vielfach verzweigen, und so eine Vielzahl nachgeschalteter Nervenzellen erreichen. Seine Länge kann mehr als einen Meter betragen. Das Axon endet in einer oder mehreren Synapse(n).

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Direkter Draht ins Gehirn

Die Geruchs-​Axone aller Riechzellen bilden gemeinsam den Riechnerv. Sie bündeln sich jedoch nicht wie andere Nervenzellen, sondern durchdringen als kleine Axonengruppen die Siebplatte, eine feine poröse Knochenschicht, die an das Riechepithel grenzt. Von hier geht es weiter zu den beiden Riechkolben (Bulbi olfactorii, im Singular Bulbus olfactorius), Ausstülpungen des Gehirns. Die Eintrittsstellen in den Riechkolben sind die Glomeruli, kugelförmige Strukturen. Bei Ratten enthält jeder Riechkolben rund 2.000 Glomeruli – beim Menschen sind es sogar noch mehr, wobei die genaue Zahl nicht bekannt ist. Hier laufen die primären olfaktorischen Neurone zusammen und übertragen ihre Geruchsinformation auf die sekundären Geruchsneurone, die so genannten Mitralzellen – und zwar streng getrennt nach Rezeptortyp. In jedem Glomerulus läuft demnach selektiv die Information über eine ganz bestimmte Sorte von Duftmolekülen ein.

So sortiert projizieren die Mitralzellen die Geruchsinformation dann auf dem direkten Weg weiter in die Riechrinde und einige benachbarte Strukturen im Schläfenlappen, zu denen auch das Angstzentrum, die Amygdala, zählt. Im Weiteren gelangt die Geruchsinfomation in nachgeschaltete Gehirnregionen, die den Duft mit Emotionen, Lust oder Funktionen der Motivation verknüpfen und im Gedächtnis abspeichern.

Wie aber kann es sein, dass nur 350 Gene uns in eine so reichhaltige und vielfältige Sinneswelt der Düfte führen? Schließlich erkennt auch der Mensch mit seinem vergleichsweise schlechten Geruchssinn bis zu 10.000 verschiedene Gerüche. Die Nobelpreisträger Buck und Axel, aber auch viele andere Forschergruppen haben dazu beigetragen, dieses Rätsel schließlich zu lösen: Sie haben herausgefunden, dass der Riechkolben als eine Art Mischpult fungiert, in dem Duftkombinationen zusammengefügt werden. Man spricht vom Ensemble-​Code.

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.

Olfaktorischer Cortex

Olfaktorischer Cortex/-/olfactory cortex

Der ofaktorische Cortex umfasst die Strukturen des Großhirns, die für die Verarbeitung von Geruchsinformationen zuständig sind. Der primäre olfaktorische Cortex ist der präpiriforme Cortex, ein entwicklungsgeschichtlich alter Teil des Cortex (Paleocortex) mit dreischichtiger Struktur.

Motivation

Motivation/-/motivation

Ein Motiv ist ein Beweggrund. Wird dieser wirksam, spürt das Lebewesen Motivation – es strebt danach, sein Bedürfnis zu befriedigen. Zum Beispiel nach Nahrung, Schutz oder Fortpflanzung.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Am Mischpult des Duftes

Die meisten natürlichen Düfte setzen sich aus mehreren Komponenten zusammen. Wenn wir Apfel riechen, schwirren verschiedene Moleküle durch die Luft, die sich zu dieser Duftnote zusammensetzen. Sie docken im Riechepithel an die entsprechenden Rezeptoren an und senden die Information an die zugehörigen Glomeruli im Riechkolben. So entstehen charakteristische räumliche Aktivierungsmuster, so genannte sensorische Karten. Dabei unterscheidet sich eine Apfelnote klar von den Mustern für Rosenduft, Vanillekipferln oder dem Gestank eines verdorbenen Fisches.

“Im Riechkolben entsteht ein Fingerabdruck für jeden Geruch, der dann in den höheren Gehirnregionen verarbeitet wird”, erklärt Amir Madany, der sich am Institut für Neuro– und Bioinformatik der Universität zu Lübeck mit der Geruchswahrnehmung beschäftigt. “Der Riechkolben dient dabei als Verstärker der Geruchsinformation und synchronisiert ihre einzelnen Komponenten.” Denn wenn der Apfelduft die Nase streift, docken die einzelnen Duftmoleküle nicht gleichzeitig an die entsprechenden Rezeptoren an. “Der Reiz wird im Riechkolben eine Zeitlang aktiv gehalten, damit das Gehirn den Gesamteindruck verarbeiten kann.”

Madany arbeitet selbst an olfaktorischen Karten einer ganz anderen Art. Er erstellt so genannte Wahrnehmungskarten. Dafür lässt er Versuchspersonen an verschiedenen Duftproben schnuppern und sie mit Hilfe einer vorgegebenen Wortliste umschreiben. Ist der Geruch eher angenehm oder unangenehm? Riecht es fruchtig? Und wenn ja, dann eher nach Apfel oder nach Banane? So konnte er nachweisen, dass etwa 30 Faktoren notwendig sind, um alle Geruchskategorien zu beschreiben, in denen Menschen Gerüche bewusst wahrnehmen.

“An erster Stelle steht hier die Kategorie ‘angenehm oder unangenehm’, die eine schnelle Entscheidung über ‘essbar oder nicht essbar’ erlaubt – aber das war eigentlich den Philosophen der Antike schon klar”, sagt er lachend. Die zweite Kategorie, da ist Madany sich ziemlich sicher, sei “nussig” oder “nicht nussig”, die ebenfalls hilft, bestimmte Nahrungsquellen ausfindig zu machen. Für eine endgültige Rangordnung, die alle Kategorien umfasst, müsse aber noch eine Menge geforscht werden.

Eines sei für ihn aber jetzt schon klar: “Wenn sich ein Riechcode, der 10.000 Gerüche mit 350 Rezeptoren beschreibt, am Ende auf 30 Kategorien herunterbrechen lässt, dann ist das olfaktorische System womöglich doch nicht ganz so kompliziert und verwirrend, wie es derzeit den Eindruck macht.”

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Nase

Nase/Nasus/nose

Das Riechorgan von Wirbeltieren. In der Nasenhöhle wird die Luft durch Flimmerhärchen gereinigt, im oberen Bereich liegt das Riechepithel, mit dem Gerüche aufgenommen werden.

Website:

  • Herr Prof. Dr. Frank Zufall/​Molekulare Medizin Medizinische Fakultät der Universität des Saarlandes; URL:http://physiology.uni-saarland.de/Zufall/Zufall_Research.html [4.3.2014]; zur Website
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