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(10.11.2021) BOCHUM: Gerüche können Erinnerungen hervorrufen und Gefühle auslösen. Eine neue Studie zeigt, welche Areale dabei im Gehirn mitspielen.

Wenn Denise Manahan-Vaughan durch eine Parfümerie schlendert und ihr der Duft von Opium des Herstellers Yves Saint Laurent in die Nase steigt, erscheint vor ihrem inneren Auge unverzüglich das Bild ihrer mittlerweile verstorbenen Tante. „Sie war die einzige mir bekannte Person, die dieses Parfüm getragen hat. Den Duft assoziiere ich sofort mit ihr“, erzählt die gebürtige Irin. „Es ist faszinierend, wie ein Geruch solche Erinnerungen und Gefühle hervorrufen kann.“

Manahan-Vaughan beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit der Frage, was im Gehirn abläuft, wenn die Nase Duftmoleküle wahrnimmt. In ihrer Arbeitsgruppe in der Abteilung für Neurophysiologie an der Ruhr-Universität Bochum erforscht sie, wie Gerüche zur Gedächtnisbildung beitragen und sie beeinflussen. Unterstützt wird sie dabei unter anderem von der Postdoktorandin Christina Strauch, die seit 2010 die Faszination der Geruchsforschung teilt. Die beiden Neurophysiologinnen und ihr Team konnten kürzlich zeigen, dass Gerüche im Gehirn von Ratten nicht nur olfaktorische Areale aktivieren, sondern auch Regionen, die für Gefühle und Werteempfinden zuständig sind (Cerebral Cortex, doi: 10.1093/cercor/bhab226).

Wenn uns oder anderen Säugetieren ein Duft in die Nase steigt, registrieren in der Riechschleimhaut sitzende Neuronen diesen Stimulus und leiten die Information an den Riechkolben weiter. Der Riechkolben ist die erste Anlaufstelle des olfaktorischen Systems im Gehirn, von wo aus der Reiz tiefer ins Gehirn weitergeleitet wird. Das olfaktorische System erfüllt dabei im Grunde zwei Aufgaben: die Wiedererkennung beziehungsweise Sortierung von Düften, sodass wir auf Anhieb erkennen können, um was es sich bei dem „Erschnüffelten“ handelt. Außerdem verknüpft das Gehirn bei besonderen Erlebnissen Düfte mit einer Erinnerung. Ein Beispiel: Essen wir eine verdorbene Wurst und uns wird daraufhin schlecht, lernen wir eindrücklich, den Geruch des verdorbenen Lebensmittels zu erkennen und als ungenießbar einzustufen. Wir hinterlegen den Geruch mit einem negativen Erlebnis. Riechen wir in der Zukunft erneut an einer verdorbenen Wurst, ist es nicht unwahrscheinlich, dass wir ein flaues Gefühl im Magen bekommen.

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Um diese unangenehme Erinnerung abzuspeichern und von dem negativen Erlebnis zu lernen, läuft im Gehirn ein neurophysiologischer Mechanismus ab, den man als synaptische Plastizität bezeichnet. Sie ist die Grundlage für alle Lernprozesse und die Gedächtnisbildung. Im Gehirn ändert sich dabei die Stärke von synaptischen Übertragungen. Ändert sich die Übertragungsstärke über mehrere Minuten, Stunden oder sogar Jahre, spricht man von einer Langzeitplastizität. Häufig sind dabei unterschiedliche Hirnregionen im Austausch, so auch bei der Langzeitplastizität während der Geruchswahrnehnumg: Hier reicht es nicht aus, nur die olfaktorischen Hirnareale zu aktivieren, für die Gedächtnisbildung müssen weitere Regionen mitspielen.

Dabei hatte die Geruchsforschung lange Zeit die Funktion des olfaktorischen Systems falsch eingeschätzt. „Früher dachte man, im piriformen Cortex – einem Teil des olfaktorischen Systems – komme es nach Aktivierung des Riechkolbens lediglich zu kurzfristigen Veränderungen, aber nicht zur synaptischen Plastizität und damit zu einer eindrücklichen Erinnerung“, ordnet Postdoktorandin Strauch ein. Und auch ihre ersten Experimente bekräftigten diesen Trugschluss: Als Strauch den Riechkolben von Ratten mit unterschiedlichen Frequenzen aktivierte, die in anderen Arealen eigentlich zu einer Langzeitplastizität führen, konnte sie im piriformen Cortex überhaupt keine Veränderung detektieren – keine Spur von synaptischer Plastizität.

Inzwischen vermutet die Bochumer Neurophysiologin, dass damals die Frequenzmuster des Protokolls nicht ausreichten: „Wir haben dem olfaktorischen System vermutlich zu wenig und zu kurz Informationen gegeben, eine synaptische Plastizität konnte so nicht stattfinden.“ Man kann sich das wie folgt vorstellen: Wenn eine Ratte in ihrem Leben nur einmal kurz an einer Wurst schnüffelt, sie dann nicht einmal isst und auch nie wieder sieht, hat das Gehirn keinen Grund, dem Geruch große Aufmerksamkeit zu schenken. „Für eine Langzeitveränderung braucht das Gehirn über einen längeren Zeitraum einen Informationsfluss – im besten Fall zusätzlich mit einem Erlebnis, zum Beispiel einer Belohnung“, so Strauch. „Nur so kann ein Lernprozess stattfinden.“ Manahan-Vaughan ergänzt: „Mit jedem Atemzug holen wir uns Duftmoleküle in die Nase, die im Gehirn sortiert und kategorisiert werden. Nicht jeder Duft wird in unsere Erinnerungen integriert und löst dann eine Assoziation beziehungsweise ein Gefühl aus – das würde unserem Organismus auch gar nichts nutzen.“

Mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie und in Zusammenarbeit mit Frank Angenstein vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg beobachteten die Neurophysiologinnen dann das komplette Ratten-Hirn zeitgleich bei der Arbeit, während sie den Riechkolben mit elektrischen Impulsen stimulierten. „Wir wollten herausfinden, inwieweit Hirnstrukturen, die nicht zum olfaktorischen System gehören, an der olfaktorischen Gedächtnisbildung beteiligt sind“, so Manahan-Vaughan. Dabei wählten sie zwei unterschiedliche Reizmuster, die einmal ein einfaches Ein- und Ausatmen simulieren oder die Aufnahme eines wichtigen Duftes, der in eine Erinnerung aufgenommen werden soll. Interessanterweise aktivierten beide Reizmuster nicht nur olfaktorische Regionen, sondern auch viele andere Hirnareale – zum Beispiel die Amygdala oder den dorsomedialen präfrontalen Cortex, die beide für Emotionen wichtig sind.

Am interessantesten fanden die Forscherinnen allerdings die Aktivierung des prä- und infralimbischen Cortexes, das Belohnungs- beziehungsweise Bestrafungssystem des Gehirns. Gemeinsam mit einer Studie aus dem vergangenen Jahr ergibt sich dadurch ein spannender Zusammenhang. In besagter Studie konnten Strauch und Manahan-Vaughan zeigen, dass der piriforme Cortex des olfaktorischen Systems im Hippocampus Langzeitplastizität induzieren kann (Cerebral Cortex, doi: 10.1093/cercor/bhz077). „Das heißt, unser Duftcortex kann unserem Gedächtnisorgan sagen: ‚Dieser Geruch ist wichtig, mache eine Erinnerung daraus!‘“, verdeutlicht Manahan-Vaughan begeistert. „Das kann kein anderes sensorisches System.“

Durch die Beteiligung vieler unterschiedlicher Hirnregionen ergibt sich also ein verknüpftes Netzwerk: Das olfaktorische System kommuniziert nicht nur mit dem Hippocampus als gedächtnisbildende Struktur, sondern ebenfalls mit Belohnungsstrukturen (prä- und infralimbischer Cortex), die dann wiederum Informationen an den Hippocampus weitergeben. Das Resultat: Düfte können Erinnerungen prägen und sogar steuern. Was habe ich gerochen, als ich diese Erfahrung gemacht habe, und war diese Erfahrung gut oder schlecht?

Neben der funktionellen Bildgebung glich das Bochumer Team die Befunde mit Genaktivitätsstudien ab. „In den fMRT-Aufnahmen kann man erstmal nur detektieren, wie sich der Sauerstoff- und damit der Energie-Verbrauch in bestimmten Hirnregionen verändert“, erklärt Strauch. „Der genaue Hintergrund bleibt erstmal offen. Deshalb haben wir zusammen mit unserer Doktorandin Thu-Huong Hoang die Genexpression von einem sogenannten Immediate Early Gene, auch Frühgen genannt, gemessen.“ Ganz konkret handelt es sich um Homer1a, ein Marker für Langzeitplastizität. Die Ergebnisse bestätigten: Wo die Forscher Hirnaktivität im fMRT gemessen hatten, exprimierten die Neuronen vermehrt Homer1a, es spielte sich dort also tatsächlich eine Informationsspeicherung ab.

Für Manahan-Vaughan und ihre Gruppe stellt sich jetzt noch die Frage, wie unterschiedliche Düfte den Prozess beeinflussen. Als konkretes Beispiel nennt die Arbeitsgruppenleiterin Pheromone. „Als Irin bin ich von manchen deutschen Sprichwörtern fasziniert wie ‚Ich kann ihn oder sie nicht riechen’“, schmunzelt Manahan-Vaughan. „Dass man eine Antipathie zu einer Person dadurch ausdrückt, dass man ihren Geruch nicht mag, finde ich total spannend. Da frage ich mich: Welche Hirnaktivitäten laufen unterbewusst ab?“

Bei uns Menschen sind die Detektion und Bewertung von Pheromonen im Laufe der Evolution stark in den Hintergrund geraten – wir übertönen unseren eigenen Körpergeruch meist mit Seifen, Deos und Co. Für andere Säugetiere spielen die Duftmoleküle nach wie vor eine wichtige Rolle, zum Beispiel bei der Partnerwahl, aber auch als Hinweis, dass ein Tier fremd und möglicherweise gefährlich ist, oder bei der Bildung von sozialen Strukturen und Handlungen. Gibt es einen Unterschied bei der Gedächtnisbildung, wenn Nagetiere Alltagsdüfte erleben oder ihnen Pheromone in die Nase steigen? Die Antwort auf diese Frage hoffen die Neurophysiologinnen im Jacobson-Organ zu finden, das sich in der Nase der meisten Wirbeltiere versteckt.