Geruchs- und Geschmackssinn

Geschmack und Geruch sind chemische Sinne, wobei für den Geschmack von Speisen der Geruchssinn retronasal sehr wesentlich ist – bekanntlich leidet bei Schnupfen nicht nur die Geruchs- sondern auch die Geschmacksempfindung. Beide Sinnesinformationen (olfaktorisch, gustatorisch) werden dem limbischen System (Amygdala, Hypothalamus) zugeleitet. Der Geruchssinn steht im Dienst von Nahrungsbeurteilung, Orientierung, sozialer Kommunikation (sexuelle Stimulation, Territorial-Abgrenzung), und hat eine Warnfunktion (brenzliger Geruch bedeutet Gefahr). Der Mensch besitzt auf einer Gesamtfläche von 5 Quadratzentimetern Riechschleimhaut etwa 20 Millionen Geruchssinneszellen, wobei etwa 1000 Sinneszellen jeweils mit einem afferenten Neuron verbunden sind. Geruchssinneszellen sind übrigens wie Geschmackszellen sehr kurzlebig (etwa vier Wochen).

Es gibt in der Nase etwa dreihundertfünfzig verschiedene Arten Riechzellen, die darauf spezialisiert sind, einen bestimmten Duft zu erkennen, etwa Vanillin oder Muscon, dem Hauptbestandteil von Moschus, wobei es von jedem dieser Zelltypen es in der Nase rund fünfzigtausend Exemplare gibt. Alle Riechzellen besitzen auf ihrer Oberfläche Rezeptoren, die nach dem Schlüsselschloss-Prinzip Duftmoleküle binden, wobei gemäß dieser Spezialisierung jeder Zelltyp nur eine Art von Schloss besitzt, in das Schlüssel mit einer bestimmten chemischen Struktur passen und damit ähnlich riechen. Dockt ein Duftmolekül an einem Rezeptor an, schickt die zugehörige Nervenzelle über ihren Fortsatz elektrische Strompulse ohne Umwege ins das Riechhirn zu den Glomeruli olfactorii (Riechkugeln). Bei den Riechkugeln handelt es sich um ellipsenförmige Nervengeflechte, die jeweils mit den Riechzellen eines bestimmten Typs verknüpft sind. Erhält etwa eine Vanillin-Riechkugel elektrische Signale, erkennt man daran den Vanilleduft.

Allerdings sind reine Gerüche in der Regel eher selten, sondern in den allermeisten Fällen muss das Gehirn eine Kombination aus zahlreichen unterschiedlichen Duftmolekülen verarbeiten, wobei etwa Kaffeegeruch mehr als einhundert unterschiedliche Komponenten enthält, sodass viele Riechkugeln gleichzeitig aktiviert werden. Solches komplexen Duftmuster sind im Hippocampus abgespeichert, mit denen dann die eintreffenden Informationen verglichen werden. Parallel dazu erreicht die Information aber auch das limbische System, wo das Gehirn die Duftmuster automatisch mit den jeweiligen Gefühlen verknüpft, die mit den Dürften gelernt wurden. Der rechte vordere Hippocampus ist dann besonders aktiv, wenn eine Erinnerung an Objekte auftaucht, die mit Gerüchen in Verbindung steht (Bäckerei, Schule, Kaffeehaus, Italiener), denn dieser Bereich des Gehirns ist sehr wichtig, wenn es darum geht neue Erinnerungen abzuspeichern. Der Riechkolben hat dabei eine direkte Verbindung zu Hippocampus und zur Amygdala, die mit Erinnerungen und Gefühlen zusammenhängen, die einen Teil des limbischen Systems bilden, jenem Areal, in dem das emotionale Gehirn mit Gefühlen und Erinnerungen daran liegt. Sinne wie Sehen, Hören und Fühlen laufen nicht durch diese Areale des Gehirns, was ein Grund dafür zu sein scheint, dass Riechen im Vergleich zu anderen Sinnen so stark Erinnerungen und damit verbundene Gefühle hervorbringen kann.

Geruchs- und Geschmackssinn sind von Geburt an gut ausgebildet, denn zu keinem Zeitpunkt in der Entwicklung befinden sich mehr Geschmacksrezeptoren im Mund- und Rachenraum als kurz nach der Geburt. Gleichzeitig dokumentieren Verhaltensstudien, dass Neugeborene das eigene Fruchtwasser lieber riechen als fremdes und dass sie schon nach wenigen Tagen eine ausgeprägte Vorliebe für den Schweiß- und Milchgeruch der eigenen Mutter im Vergleich zum Geruch einer anderen Frau haben. Solche Präferenzen setzen ein hohes Maß an Differenzierung in der Wahrnehmung voraus. Da aber alle Arten von Wahrnehmung inklusive der akustischen durch Erfahrung mit geprägt werden, erfolgt die endgültige Verarbeitung und Einordnung von Sinneseindrücken auf kortikaler Ebene und der gustatorische Cortex ist innerhalb der ersten drei Lebensmonate noch nicht voll ausgereift. Wie Menschen einen Duft bewerten, dafür sind in erster Linie Kontext und Situation verantwortlich. Schon bei der ersten Wahrnehmung eines bestimmten Geruches entwickeln Menschen oft abhängig von der Stimmung, eine Abneigung oder Vorliebe dafür. Auch beeinflusst die Erziehung maßgeblich die Einschätzung von Gerüchen, denn früher war etwa der Geruch von Schweiß nicht so negativ besetzt wie heute, denn jetzt wird bereits kleinen Kindern beigebracht, dass ihr Eigengeruch unangenehm ist. Solche Erfahrungen steuern daher maßgeblich, ob man einen Duft mag oder nicht, wobei die genetische Veranlagung darauf wenig bis keinen Einfluss hat. Eine wichtige Rolle spielt auch die Konzentration eines Duftstoffs, der dafür verantwortlich ist, ob ein Geruch als angenehm oder unangenehm empfunden wird, wobei das so weit gehen kann, dass ein Geruch als Schmerz empfunden wird, indem der Nervus Trigeminus als Warn -und Schmerznerv aktiviert wird.

Der Geschmackssinn ist übrigens der bisher am wenigsten erforschte Sinn in Mensch und Tier, was vor allem an den technischen Herausforderungen liegt, die Geschmacksforscher dabei überwinden müssen, wobei Untersuchungen des Geschmacksinns im Vergleich zu den anderen Sinnen zeitaufwendiger sind und spezielle Apparaturen erfordern. Erst jüngst ist es gelungen, anhand von neuronalen Aktivitätsmustern des menschlichen Gehirns vorherzusagen, ob ein Mensch etwas Süßes, Salziges, Saures, Bitteres oder Umami schmeckt. Dabei entdeckte man, dass über die Zunge wahrgenommene Geschmackssignale sehr viel schneller das Gehirn erreichen als ursprünglich angenommen, und zählen somit zu den ersten neuronalen Informationen, die zum Gesamtgeschmackseindruck beitragen (Crouzet et al., 2015).

Menschen erleben übrigens auch die Vielfalt des Geschmacks von Wasser als sehr groß und variabel. Zocchi et al. (2017) haben nun nachgewiesen, dass Menschen neben den klassischen fünf Geschmackssinnen (süß, salzig, sauer, bitter und umami) auch auch auf Wasser reagieren, d. h., auf der Zunge ein Gespür für Wasser besitzen. Nach dieser Studie können die Geschmacksknospen für sauer ganz gezielt auch Wasser identifizieren, da bei der Reaktion von Wasser und Kohlendioxid mithilfe eines Enzyms Protonen freigesetzt werden, wodurch die Geschmackssensoren für sauer darauf reagieren. Dieses Enzym wird dadurch aktiviert, dass beim Trinken von Wasser der Speichel weggespült wird. Wasser hat je nach Herkunft auch einen unterschiedlichen Geschmack, denn im Wasser sind oft noch verschiedene Mineralsalze und Spurenelemente gelöst, die man ebenfalls wahrnehmen kann, vor allem in Kombination mit anderen Geschmacksrezeptoren der Zunge.

Mathis et al. (2016) haben sich mit der Frage befasst, wie Menschen einzelne Düfte erkennen bzw. wie gut sie einen Geruch in einem Gemisch erkennen können. Es geht dabei um die Repräsentation des sinnlich Wahrgenommenem im Gehirn, also wie die Wiedergabe oder Verschlüsselung sinnlicher Eindrücke in neuronalen Strukturen eine Entsprechung in der Realität besitzen. Wenn jeder der unzähligen Duftstoffe, denen man im Alltag begegnet, eine direkte Repräsentation im Gehirn hätte, dann könnte man einzelne Gerüche auch in komplizierten, zuvor noch nicht wahrgenommenen Geruchsmixturen erkennen. Tatsächlich aber wird es umso schwieriger, einen Geruchsstoff zu identifizieren, je mehr Gerüche gleichzeitig vorhanden sind, ganz ähnlich, wie es ein Problem ist, auf einer lauten Party einem Gespräch zu folgen. Der Riechkolben, in dem die Riechwahrnehmung im Gehirn beginnt, kann eine solche Aufgabe nicht perfekt erfüllen, woraus eben folgt, dass die zur Verfügung stehenden Rezeptoren zur Geruchserkennung nicht auf einer Eins-zu-eins-Basis verwendet werden, vielmehr sind die Glomeruli, also die Strukturen in der Oberfläche des Riechkolbens, wo die Informationen aus der Nase zuerst ankommen, an der Erkennung einer Vielzahl von Gerüchen beteiligt.
Um den Mechanismus aufzudecken, warum Menschen trotzdem viele einzelne Duftkomponenten erkennen können, hat man einer Reihe von Verhaltensexperimenten mit Mäusen durchgeführt, in dem die Mäuse jeweils die Existenz eines von zwei Gerüchen in einem Gemisch mit bis zu 14 weiteren Duftstoffen feststellen sollten. Bei theoretisch über 50000 möglichen Gemischen konnten die Nager nach etwa tausend Trainingsdurchläufen in mehr als 90 Prozent der Experimente einen der beiden erlernten Düfte richtig identifizieren. War der erlernte Duft nur mit wenigen anderen Komponenten vermischt und wiederholten sich die Mixturen nicht, dann lag die Quote bei fast 100 Prozent, erst bei komplexen Geruchsmixturen oder wenn Teile der Zusammensetzung wiederholt und nur leicht variiert wurden, versagten die Mäuse häufiger.
Die Übertragung dieser Daten in ein lernfähiges Computerprogramm und die Gegenüberstellung der Leistungen verschiedener Algorithmen mit den Leistungen der Mäuse zeigte, dass ein einfaches lineares Verfahren basierend auf den Glomeruli ähnlich leistungsfähig ist wie das Mäusegehirn. Damit dieser Algorithmus funktioniert, muss dieses Programm ähnlich wie die Mäuse trainiert werden, wobei die Art des Trainings, wie die Aktivitäten der Glomeruli ausgelesen werden, die Leistung beeinflusst. Wenn nämlich der Algorithmus nur mit einzelnen Gerüchen trainiert wird, macht er mehr Fehler bei der Geruchserkennung in Mischungen, was offensichtlich an der unspezifischen Codierung in den Glomeruli liegt. Würde das Lernen im Gehirn aber nicht auf Glomeruli, sondern vielmehr auf einer Repräsentation der einzelnen Geruchskomponenten im Gehirn beruhen, so sollte die Verallgemeinerung des Lernens von einzelnen Gerüchen auf Mischungen einfach sein. Diese Hypothese wurde dann bei Mäusen getestet, und tatsächlich hatten die Mäuse Schwierigkeiten, einzelne Gerüche unter mehr als vier anderen zu erkennen, so wie es durch das Verhalten des Algorithmus vorhergesagt worden war. Daher ist es wahrscheinlich, dass das Gehirn eine Geruchsmixtur wohl nicht in ihre Geruchskomponenten zerlegt, sondern vor allem der Gesamteindruck entscheidet, während die Zerlegung in Einzelgerüche erst mit viel Erfahrung gelernt werden kann, wie es etwa Parfümeure oder Sommeliers beherrrschen.

Literatur

Crouzet, S. M., Busch, N. A. & Ohla, K. (2015). Taste quality decoding parallels taste sensations. Curr Biol, 25, 890-896.
Mathis, A., Rokni, D., Kapoor, V., Bethge, M. & Murthy, V. N. (2016). Reading Out Olfactory Receptors: Feedforward Circuits Detect Odors in Mixtures without Demixing. Neuron, 91, doi.org/10.1016/j.neuron.2016.08.007.
Pauen, Sabina & Vonderlin, Eva (2007). Entwicklungsdiagnostik in den ersten drei Lebensjahren. Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung.
Zocchi, Dhruv, Wennemuth, Gunther & Oka, Yuki (2017). The cellular mechanism for water detection in the mammalian taste system. Nature Neuroscience, doi:10.1038/nn.4575.
http://www.spektrum.de/frage/welche-gerueche-finden-wir-unangenehm/1486585 (17-09-04)

 





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