Der Neuropsychologe Javier Esteban Libiano erläutert in diesem Artikel alle Einzelheiten dazu, wie unser Gehirn Gerüche codiert.
Der Geruchssinn ist ebenso wie der Geschmackssinn ein chemischer Sinn. Die von beiden Sinnen empfangenen Reize interagieren chemisch mit ihren Rezeptoren.
Der Geruchssinn hilft dabei, Lebensmittel zu identifizieren und verdorbene oder zum Verzehr ungeeignete Lebensmittel zu meiden. Er hilft vielen Tierarten, einer Spur zu folgen oder Raubtiere aufzuspüren sowie Freunde, Feinde und paarungsbereite Artgenossen zu erkennen.
Für den Menschen besitzen Gerüche die besondere Fähigkeit, Erinnerungen hervorzurufen. Der Geruchssinn aktiviert Hirnregionen, die mit Emotionen, Lernen und Gedächtnis zusammenhängen.
Könnten wir diese Informationen nutzen, um bei Personen mit einer Form von Hirnschädigung oder einer mit verschiedenen Erkrankungen verbundenen kognitiven Beeinträchtigung einen neurorehabilitativen Effekt auf unterschiedliche kognitive Fähigkeiten auszuüben?
Der Reiz: Natur und Eigenschaften
Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass sensorische Stimulation den Erhalt und die Verbesserung kognitiver Fähigkeiten beeinflusst – etwa Wahrnehmung, Sprache, Praxien, Gnosien, Aufmerksamkeit, Gedächtnis, exekutive Fähigkeiten, Orientierung, logisches Denken und Motivation – bei Menschen mit kognitiven Abbauprozessen, Schlaganfällen oder anderen Faktoren, die eine Hirnschädigung verursacht haben.
Der technisch im Englischen als odorants bezeichnete olfaktorische Reiz besteht aus flüchtigen Substanzen mit einem Molekulargewicht zwischen 15 und 300 g/mol (Gramm pro Mol). Fast alle geruchsaktiven Verbindungen sind fettlöslich und organischen Ursprungs, obwohl viele Substanzen, die diese Kriterien erfüllen, geruchlos sind.
Geruchsstoffe müssen wasserlöslich sein, damit sie sich in der oberflächlichen Schleimschicht lösen und zu den Riechzilien gelangen können, in deren Membranen sie an spezifische Rezeptoren binden. In ausreichend hoher Konzentration bewirken sie eine Depolarisation der Zellmembran, die sich über das Axon als Aktionspotenzial fortsetzt.
Man geht davon aus, dass es beim Geruchssinn einige grundlegende Qualitäten gibt, die von spezifischen Rezeptoren registriert werden.
Da Substanzen derselben Geruchsgruppe ähnliche Molekülgrößen aufweisen, scheint es möglich, dass die Membran eines Riechziliums – Fortsätze der Rezeptorzellen, die in die Schleimhaut hineinragen und den Reiz aufnehmen – nur auf eine bestimmte Molekülgröße reagiert.
Neue Untersuchungen nähern sich der Erkenntnis, dass eine Sinneszelle nur einen Rezeptortyp exprimiert.
Eine Untersuchung der University of California ergab, dass bestimmte Gerüche die kognitive Leistungsfähigkeit von Menschen steigern könnten. Dazu wurde eine Gruppe von Personen während des Schlafs dem Duft einer Duftkomposition ausgesetzt. Diese Untersuchung eröffnet den Weg zu nichtinvasiven neurorehabilitativen Behandlungen gegen neurodegenerative Erkrankungen oder verschiedene Hirnschädigungen.
Die Rezeptoren
Wir verfügen über sechs Millionen olfaktorische Rezeptorzellen (bipolare Neuronen), die sich in zwei Abschnitten der Schleimhaut (dem Riechepithel) befinden.
Beim Menschen nimmt das Riechepithel einen kleinen Bereich beider Nasenhöhlen ein. Es liegt im oberen Teil der Nasenhöhle, am Rand der oberen Nasenmuscheln und auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Nasenscheidewand.
Die Geruchsrezeptoren befinden sich im Sinnesepithel, das aus Stütz- oder Supportzellen sowie aus Sinneszellen beziehungsweise olfaktorischen Rezeptorzellen besteht.
Olfaktorische Rezeptorzellen sind bipolare Neuronen, deren Zellkörper in der Riechschleimhaut liegen, die die Lamina cribrosa bedeckt, eine Öffnung an der Schädelbasis im rostralen Bereich des Gehirns.
Zwischen den olfaktorischen Rezeptorzellen liegen Stützzellen. Sie enthalten Enzyme, die Geruchsmoleküle zerstören, und tragen dadurch dazu bei, Veränderungen der Geruchsrezeptoren zu verhindern.
Die Riechregion enthält außerdem zahlreiche kleine Schleimdrüsen, die Bowman-Drüsen. Ihr Sekret bildet einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der die Riechschleimhaut überzieht.
Der distale Abschnitt der Sinneszelle verjüngt sich zu einem dünnen Fortsatz, der leicht über die Oberfläche des Riechepithels hinausragt. Dieser Riechfortsatz ist von zahlreichen Riechzilien bedeckt. In proximaler Richtung geht der ovale Zellkörper in einen dünnen Fortsatz über, der zusammen mit den anderen Fortsätzen von Schwann-Zellen umhüllt wird.
Reiz-Rezeptor-Interaktion
Die Forschenden gehen davon aus, dass Riechzilien molekulare Rezeptoren enthalten, die durch Geruchsmoleküle stimuliert werden.
Jones und Reed identifizierten ein bestimmtes G-Protein, das sie Golf nannten. Dieses Protein kann ein Enzym aktivieren, das die Synthese von zyklischem AMP katalysiert (zyklisches Adenosinmonophosphat, ein Nukleotid, das in verschiedenen biologischen Prozessen als sekundärer Botenstoff wirkt). Dieses kann wiederum Natriumkanäle öffnen und die Membran der Riechzelle depolarisieren.
G-Proteine verbinden metabotrope Rezeptoren mit Ionenkanälen: Wenn ein Ligand an einen metabotropen Rezeptor bindet (Signaltransduktionsmechanismen, häufig G-Proteine, die mithilfe chemischer sekundärer Botenstoffe eine Reihe intrazellulärer Vorgänge aktivieren), öffnet das G-Protein einen Ionenkanal direkt oder indirekt, indem es die Bildung eines sekundären Botenstoffs aktiviert. Die Entdeckung von Golf legte nahe, dass Riechzilien Geruchsrezeptoren enthalten, die an dieses G-Protein gekoppelt sind.
Buck und Axel entdeckten eine Genfamilie, die eine Familie olfaktorischer Rezeptorproteine codiert. Beim Menschen gibt es offenbar zwischen 500 und 1000 verschiedene Rezeptoren, die jeweils auf einen anderen Geruch empfindlich reagieren. Geruchsmoleküle binden an diese Rezeptoren, und die gekoppelten G-Proteine bewirken die Öffnung der Natriumkanäle, wodurch depolarisierende Aktionspotenziale entstehen.
Die olfaktorische kognitive Stimulation eröffnet ein Interventionsfeld im Bereich der Neuroplastizität, die als Fähigkeit des Gehirns bezeichnet wird, sich zu erholen, umzustrukturieren, neu zusammenzusetzen, umzugestalten, neu zu formen, neu zu organisieren und an neue Situationen anzupassen.
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Die Riechnerven
Die olfaktorischen Rezeptorzellen senden über die Oberfläche der Schleimhaut einen Fortsatz aus, der sich in 10 bis 20 Zilien aufteilt, die in die Schleimschicht hineinragen.
Diese Fortsätze vereinigen sich zu den Riechnerven, die durch die Öffnungen der Lamina cribrosa zum Riechkolben gelangen. Etwa 35 von Gliazellen umgebene Axonbündel durchqueren den Knochen durch kleine Öffnungen der Lamina cribrosa.
Die Fortsätze enden in den Riechglomeruli des Riechkolbens, wo sie Synapsen mit den Dendriten der Mitralzellen bilden.
Zwei weitere paarige Nerven begleiten den Riechnerv von der Nasenhöhle bis zum Gehirn: der Nervus terminalis und der Vomeronasalnerv.
Der Nervus terminalis besteht aus einem Faserbündel dünner Nervenfasern, die von der Nasenscheidewand durch die Lamina cribrosa bis zur Lamina terminalis verlaufen und unterhalb der vorderen Kommissur in das Gehirn eintreten. Dieses Bündel enthält zahlreiche Nervenzellen und wird als vegetativer Nerv betrachtet.
Der Vomeronasalnerv verläuft vom Vomeronasalorgan zum akzessorischen Riechkolben. Er ist bei niederen Wirbeltieren entwickelt und lässt sich beim Menschen nur während der Embryonalentwicklung nachweisen.
Die Riechschleimhaut enthält außerdem freie Nervenendigungen der Axone des Trigeminusnervs. Diese Nervenendigungen vermitteln Schmerzempfindungen, die beim Einatmen bestimmter chemischer Reizstoffe wie Ammoniak auftreten können.
Die Riechkolben
Die Riechkolben sind verdickte Regionen am Ende des Riechtrakts, die Afferenten von den Geruchsrezeptoren empfangen. Sie liegen an der Basis des Gehirns am Ende der länglichen Riechtrakte.
Jede Rezeptorzelle sendet ein einziges Axon zum Riechkolben, wo es Synapsen mit den Dendriten der Mitralzellen bildet. Diese Synapsen befinden sich im Axonkomplex und in den dendritischen Verzweigungen, die als Riechglomeruli bezeichnet werden.
Es gibt ungefähr 10.000 Glomeruli, von denen jeder Afferenzen aus einem Bündel von etwa 2.000 Axonen erhält.
Nervenbahnen
Verlauf des Reizes
Zusammenfassend bestehen die Geruchsrezeptoren aus bipolaren Neuronen im Riechepithel, das den oberen Bereich der Nasenhöhlen auskleidet und sich in dem Knochen unterhalb der Frontallappen befindet.
Die Rezeptoren senden Fortsätze durch die Oberfläche der Schleimhaut, die sich in Zilien aufteilen. Die Membranen dieser Zilien enthalten Rezeptoren, die in der Luft gelöste Geruchsmoleküle erkennen, welche die Riechschleimhaut erreichen. Die Axone der Geruchsrezeptoren verlaufen durch die Öffnungen der Lamina cribrosa zu den Riechkolben. Dort bilden sie im Glomerulus Synapsen mit den Dendriten der Mitralzellen. Diese Neuronen senden Axone über die Riechtrakte zum Gehirn, hauptsächlich zur Amygdala (mit den Emotionen verbunden), zum piriformen Kortex (Verarbeitung von Informationen) und zum entorhinalen Kortex (Gedächtnis, Orientierung und Lernen). Der Hippocampus (Lernen und Gedächtnis), der Hypothalamus und der orbitofrontale Kortex (Entscheidungsfindung) erhalten die olfaktorischen Informationen indirekt.
Vomeronasalorgan
Die meisten Säugetiere verfügen über ein weiteres Organ, das auf chemische Substanzen aus der Umwelt reagiert: das Vomeronasalorgan. Dabei handelt es sich um ein in einem Schleimhautsack der Nasenscheidewand gelegenes Sinnesepithel, das bei Reptilien für die Nahrungssuche wichtig ist. Es spielt auch eine wichtige Rolle bei der Reaktion von Tieren auf Pheromone (von Tieren produzierte chemische Substanzen, die die Fortpflanzungsphysiologie und das Verhalten beeinflussen).
Beteiligte Regionen
Die Axone des Riechtrakts projizieren direkt zur Amygdala und zu zwei Regionen des limbischen Kortex: dem piriformen Kortex und dem entorhinalen Kortex.
- Die Amygdala, die mit Emotionen verbunden ist, sendet die olfaktorischen Informationen an den Hypothalamus, der mit Nahrungsaufnahme und Emotionen verbunden ist.
- Der entorhinale Kortex, der mit Lernen und Gedächtnis verbunden ist, sendet olfaktorische Informationen an den Hippocampus, der ebenfalls mit Lernen und Gedächtnis verbunden ist.
- Der piriforme Kortex, der mit Gedächtnis und Lernen verbunden ist, sendet olfaktorische Informationen über den dorsomedialen Kern des Thalamus an den Hypothalamus und den orbitofrontalen Kortex. Dieser steht mit Gedächtnis und Emotionen in Verbindung, der dorsomediale Thalamuskern mit Gedächtnis und Lernen.
- Der orbitofrontale Kortex erhält neben olfaktorischen Informationen auch Geschmacksinformationen. Daher könnte er an der Verbindung von Geschmack und Geruch zu Geschmackseindrücken beteiligt sein.
- Der Hypothalamus erhält eine beträchtliche Menge olfaktorischer Informationen. Dies ist wahrscheinlich wichtig für die Annahme oder Ablehnung von Nahrung und für die olfaktorische Steuerung von Fortpflanzungsprozessen.
Wir sehen also, dass wir durch kognitive Stimulation mit dem Geruchssinn und den verschiedenen Gerüchen, denen wir begegnen können, Hirnregionen aktivieren, die mit Gedächtnis, Lernen, Emotionen, Entscheidungsfindung und Informationsverarbeitung verbunden sind. Auf diese Weise kann eine so einfache Aktivität wie das Erkennen verschiedener Geruchsreize zur Verbesserung oder Verlangsamung verschiedener Prozesse kognitiver Beeinträchtigung beitragen und uns ein Interventionsfeld eröffnen, das zugleich mit anderen Techniken der kognitiven Stimulation kombiniert werden kann.
Wahrnehmung bestimmter Gerüche
Menschen können mehr als 10.000 verschiedene Gerüche erkennen. Selbst wenn wir mehrere hundert oder sogar tausend verschiedene Geruchsrezeptoren hätten, blieben noch viele Gerüche unerklärt.
Wie können wir mit einer relativ kleinen Anzahl von Rezeptoren so viele verschiedene Gerüche erkennen?
Die Erkennung eines bestimmten Geruchs beruht auf der Erkennung einer besonderen Aktivitätskonfiguration in den Glomeruli. Die Aufgabe der chemischen Erkennung wird zu einer Aufgabe der räumlichen Mustererkennung.
Die räumlichen Muster der olfaktotopischen Informationen bleiben im olfaktorischen Kortex erhalten. Wahrscheinlich erkennt das Gehirn bestimmte Gerüche anhand der unterschiedlichen Aktivierungsmuster, die dabei entstehen.
Obwohl die meisten Gerüche durch Mischungen vieler verschiedener chemischer Substanzen erzeugt werden, ordnen wir sie einem konkreten Objekt zu, etwa dem Geruch von Kaffee oder dem Rauchgeruch einer Zigarette.
Literaturverzeichnis
- N. Carlson. (2006). Physiologie des Verhaltens. Editorial Pearson, Madrid
- W. Kahle. (2003). Anatomieatlas. Band 3. Nervensystem und Sinnesorgane. Editorial Omega, Barcelona
- Woo, C; Miranda, B; Sathishkumar, M; Dehkordi-Vakil, F; Yassa, M und Leon, M. (2023). Overnight olfactory enrichment using an odorant diffuser improves memory and modifies the uncinate fasciculus in older adults. Frontiers in Neuroscience.
Die Auswirkungen der Neurorehabilitation auf die psychische Gesundheit: ein ganzheitlicher Ansatz für kognitives und emotionales Wohlbefinden
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