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Medizin-Nobelpreis: Wie funktioniert der Geruchssinn?

Der Geruchssinn galt lange als der geheimnisvollste der Sinne. Die grundlegenden Prinzipien des Erkennens und Erinnerns von mehr als 10.000 Düften ließen sich erst in den letzten Jahren aufklären. Für die Erforschung der Geruchsrezeptoren und des gesamten olfaktorischen Systems erhalten die US-Amerikaner Richard Axel und Linda Buck den diesjährigen Nobelpreis für Medizin oder Physiologie.

Hohes Unterscheidungspotenzial

Vor die Wahl gestellt, ihren wichtigsten Sinn zu benennen, würden sich wohl die wenigsten Menschen für den Geruchssinn entscheiden. Dennoch steuert das olfaktorische System das tägliche Leben und ist Grundlage des Wohlbefindens. Ob schweißnasses Pferd oder schwiemeliger Limburger Käse, Geruch stößt ab oder zieht an. Es gibt Menschen, die man nicht riechen kann. Die Nase warnt vor Unrat und erfreut die Sinne. Der Verlust des Geruchssinnes beeinträchtigt das tägliche Leben also stärker, als man im allgemeinen für möglich hält.

Vom Duft, der aus dem Rotweinkelch in die Nase strömt, bis zum freudigen Erleben dieses Duftes ist es funktional ein weiter Weg. Die Geruchswahrnehmung erfordert

Nervenzellen, die mit speziellen Rezeptoren die Duftstoffmoleküle aus der Außenwelt aufnehmen und den dadurch empfangenen Reiz weiterleiten (Riechzellen und Mitralzellen), sowie
ein zentrales neuronales System, das diese Reize verarbeitet und in Empfindungen übersetzt oder - im Fall der Pheromone - direkt bestimmte Verhaltensweisen auslöst.

Im Laufe der Evolution haben alle Eukaryonten einen Mechanismus entwickelt, olfaktorische Stimuli aus der Umgebung in Informationen für das Gehirn umzusetzen und daraus ein mehr oder weniger vollkommenes Bild der äußeren Welt zu erzeugen. Während ein Fisch nur etwa hundert verschiedene Geruchsrezeptoren besitzt, sind es bei der Maus ungefähr tausend; der Mensch hat etwas weniger, da er im Laufe der Evolution wieder einige verloren hat. Das genügt, um bis zu 10.000 verschiedene Gerüche zu unterscheiden. Die Intensität der Geruchswahrnehmung hängt von der Anzahl der Riechzellen im Verhältnis zur Körpergröße ab: Die kleine Maus besitzt über zwei Millionen Riechzellen, der Mensch etwa zehn Millionen.

GERUCHSWAHRNEHMUNG Sie läuft über vier Stufen von der Nase zum Gehirn: 1. Duftstoffmoleküle binden an die Geruchsrezeptoren. 2. Die Riechzellen werden aktiviert und geben ein elektrisches Signal.
3. Die Signale erreichen die Glomeruli und Mitralzellen im Riechkolben und werden dort gebündelt. 4. Die Signale werden in die Großhirnrinde weitergeleitet und dort verarbeitet.

Kombinationscode für zehntausend Gerüche

Die diskriminatorische Potenz des Geruchssinns ist immens. Kleinste Änderungen in der chemischen Zusammensetzung eines Duftes können zu völlig unterschiedlichen Wahrnehmungen führen. Wie reizen die flüchtigen Moleküle die Riechzellen? Wie arbeitet der Geruchssinn? Um diese Fragen zu klären, haben die Forschungsgruppen um Richard Axel und um Linda Buck das olfaktorische System auf molekularer, genetischer und zellulärer Ebene an der Maus und der Taufliege Drosophila untersucht.

Die Aufgabe war gewaltiger als gedacht. Dass es etwa tausend spezifische Geruchsrezeptoren gibt, war die erste Überraschung. Daneben gehören zum olfaktorischen System noch drei kleinere Rezeptorfamilien für die Detektion von Pheromonen, für bitteren und für süßen Geschmack. Um die 10.000 Gerüche zu differenzieren, arbeiten die einzelnen Rezeptortypen zusammen. Jeder einzelne Rezeptortyp reagiert zwar auf viele Duftstoffe, aber mit variierender Intensität. Komplexe Gerüche werden erst durch den entsprechenden Kombinationscode aller daran beteiligten Rezeptortypen wahrgenommen. Ändert sich die Konzentration oder die Zusammensetzung eines Geruchs auch nur geringfügig, entsteht durch die beteiligten Rezeptoren ein anderer Code.

Die Preisträger

Der 58-jährige Richard Axel ist Professor für Biochemie, molekulare Biophysik und Pathologie am Medizinischen Institut Howard Hughes der Columbia University in New York. Sein Spezialgebiet ist das Empfangen, Filtern und Verstehen von Sinneseindrücken durch das Gehirn. Derzeit erforscht er die Zellen, die als Reaktion auf Düfte und Pheromone Angst und Aggression vermitteln.

Linda Buck, 57 Jahre, ist am Fred Hutchinson Krebsforschungszentrum in Seattle tätig. Sie hat zuletzt erforscht, wie das Gehirn von Säugetieren Gerüche und Pheromone unterscheidet, interpretiert und wahrnimmt.

Tausend Gene für die Geruchsrezeptoren

Im Jahr 1991 konnte die Gruppe um Axel, zu der damals auch Linda Buck zählte, nachweisen, dass jeweils ein Gen einen der etwa tausend Geruchsrezeptortypen kodiert. Diese tausend Gene sind mit einem Anteil von mehr als drei Prozent die größte Genfamilie des Genoms. Jede Riechzelle verfügt nur über einen Rezeptortyp. Somit gibt es ebenso viele Typen von Riechzellen wie von Geruchsrezeptoren.

Die Geruchsrezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR). Als Transmembranproteine bilden sie jeweils sieben alpha-helikale Zylinder (Domänen) innerhalb der Zellmembran. Ihre Aminosäuresequenzen sind in einigen Positionen sehr variabel, was die hohe Selektivität der Rezeptoren erklärt. Trifft ein Duftstoffmolekül auf die Bindungsdomäne eines Rezeptors, wird durch Konfigurationsänderung an der Innenseite das GTP-bindende Protein (G-Protein) aktiviert. Das G-Protein stimuliert das Enzym Adenylatcyclase, das wiederum ATP in zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) umwandelt. Das cAMP öffnet bestimmte Ionenkanäle der Riechzelle, es entsteht ein Aktionspotenzial, und sie sendet ein elektrisches Signal zum Riechkolben.

Duft und Erinnerung

Gerüche haben einen besonders kurzen Draht zum Großhirn. Alle anderen Sinne werden mehrfach umgeschaltet und etwa im Thalamus gefiltert und bewertet, bis sie schließlich in den Kortex gelangen. Nur Signale aus den Riechzellen umgehen diese Kontrollinstanzen und gelangen vom Riechkolben direkt in das Riechhirn, einen Teil der Großhirnrinde. An der Arbeit des Riechhirns ist das Limbische System, das Zentrum für Emotion und Gedächtnis, beteiligt. Dabei kommt es häufig zu einer Vermischung von sensorischer Information mit emotional geprägten Erinnerungen, was typisch für die Geruchsempfindung ist.

Geruchskarte im Gehirn

Die Riechzellen gleichen Typs sind über ihre Axonen mit einem zugehörigen Glomerulus (Knäuel) im Riechkolben verbunden, doch kommt jeder Glomerulus-Typ nur zweimal vor, insgesamt besitzt eine Maus oder ein Mensch also etwa 2000 Glomeruli. Die Glomeruli aktivieren jeweils eine Mitralzelle, die Nervenzelle auf der nächst höheren Ebene. Von dort wandert die spezifische Information in eine definierte Mikroregion der Großhirnrinde, in deren Umgebung auch die Informationen der vielen anderen Riechzellen eintreffen. Jeder Duft aktiviert spezifische Mikroregionen: Man spricht von einer topographischen Karte der olfaktorischen Informationen oder einer Geruchskarte im Gehirn. Neurologisch gesehen ist der Duft einer Rose nichts weiter als ein Stimulimuster in der Nase, das in die Geruchskarte des Gehirns übertragen wird.

Duft und Angst

Menschen mit Depression haben einen schlechten Geruchssinn. Über die Bedeutung für das Seelenleben gibt es Hinweise aus Tierversuchen. Unterbricht man bei Ratten die Signalübertragung von der Nase ins Gehirn, indem man den Riechkolben entfernt, verhalten sie sich auffällig ängstlich. Das wird damit erklärt, dass die Geruchswahrnehmung angstverarbeitende Zentren im Gehirn, etwa die Amygdala, hemmt.