Eine verborgene Karte in der Nase könnte erklären, wie der Geruchssinn funktioniert

Der Geruchssinn prägt, wie wir die Welt tagtäglich erleben. Er hilft uns, Gefahren zu erkennen, verleiht dem Geschmack Tiefe und ist eng mit Erinnerungen und Emotionen verbunden. Trotz seiner Bedeutung haben Wissenschaftler bisher Mühe gehabt, die Funktionsweise dieses Sinnes auf biologischer Ebene vollständig zu verstehen. „Der Geruchssinn ist äußerst mysteriös“, sagte Sandeep (Robert) Datta, Professor für Neurobiologie am Blavatnik Institute der Harvard Medical School. Im Vergleich zu Sehen, Hören und Tasten ist die grundlegende Biologie des Geruchssinns bislang weniger gut verstanden worden.

Wissenschaftler erstellen eine erste detaillierte Karte der Geruchsrezeptoren

In einer neuen Studie an Mäusen erstellten Datta und seine Kollegen die erste detaillierte Karte, die zeigt, wie mehr als tausend Arten von Geruchsrezeptoren im Inneren der Nase angeordnet sind. Ihre Ergebnisse stellen langjährige Annahmen infrage. Anstatt zufällig verteilt zu sein, sind die Neuronen, die diese Rezeptoren tragen, hochgradig organisiert. Sie bilden horizontale Bänder oder Streifen, die von der Nasenspitze bis zum Nasenboden verlaufen und nach Rezeptortyp gruppiert sind. „Unsere Ergebnisse bringen Ordnung in ein System, von dem man bisher annahm, es sei ungeordnet, was unsere Vorstellung davon, wie dies funktioniert, grundlegend verändert“, sagte Datta, leitender Autor der Studie.

Die Forscher zeigten außerdem, dass diese Karte in der Nase mit entsprechenden Karten im Riechkolben des Gehirns übereinstimmt. Dieser Zusammenhang bietet neue Einblicke darin, wie Geruchsinformationen von der Nase in neuronale Schaltkreise gelangen. Die Ergebnisse wurden am 28. April in Cell veröffentlicht.

Die lange Suche nach einer Geruchskarte

Wissenschaftler wissen seit langem, wie Sinnesrezeptoren in Augen, Ohren und Haut angeordnet sind und wie diese Muster mit dem Gehirn verbunden sind. Der Geruchssinn bildete dabei die Ausnahme. „Der Geruchssinn war die einzige Ausnahme; es ist der Sinn, für den am längsten keine Karte vorlag“, sagte Datta. Ein Grund dafür ist die Komplexität. Mäuse haben etwa 20 Millionen Geruchsneuronen, von denen jedes einen von mehr als tausend Rezeptortypen exprimiert. Im Gegensatz dazu beruht das menschliche Farbsehen auf nur drei Hauptrezeptortypen. Jeder Geruchsrezeptor erkennt eine bestimmte Gruppe von Geruchsmolekülen, was das System weitaus komplexer macht.

Forscher begannen 1991 mit der Identifizierung von Geruchsrezeptoren. In den folgenden Jahrzehnten suchten sie nach Mustern in der Anordnung dieser Rezeptoren. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass Rezeptoren nur in wenigen großen Zonen vorkamen, was zu der Annahme führte, dass ihre Verteilung größtenteils zufällig sei. Als neue genetische Werkzeuge zur Verfügung standen, ging Datta’s Team die Frage mit leistungsfähigeren Methoden erneut an.

Ein verborgenes Muster in Millionen von Neuronen

Das Team analysierte etwa 5,5 Millionen Neuronen von mehr als 300 Mäusen. Es kombinierte die Einzelzell-Sequenzierung, mit der ermittelt wird, welche Rezeptoren jedes Neuron exprimiert, mit der räumlichen Transkriptomik, die genau lokalisiert, wo sich diese Neuronen befinden. „Dies ist wohl das am intensivsten sequenzierte Nervengewebe, das es je gab, aber wir brauchten diese Datenmenge, um das System zu verstehen“, sagte Datta.

Ihre Ergebnisse zeigten ein klares und konsistentes Muster. Neuronen bilden eng organisierte, sich überlappende horizontale Streifen, je nach dem Rezeptor, den sie tragen. Diese Anordnung war bei allen untersuchten Tieren nahezu identisch und entsprach genau der Art und Weise, wie Geruchsinformationen im Gehirn abgebildet werden.

Wie sich die Geruchskarte bildet

Die Forscher untersuchten auch, wie sich diese präzise Struktur entwickelt. Sie identifizierten Retinsäure, ein Molekül, das die Genaktivität reguliert, als einen Schlüsselfaktor. Ein Retinsäuregradient in der Nase scheint die Neuronen zu lenken und jedem einzelnen dabei zu helfen, je nach seiner Position den richtigen Geruchsrezeptor zu aktivieren. Als die Forscher die Konzentrationen dieses Moleküls veränderten, verschob sich die gesamte Rezeptorkarte nach oben oder unten. „Wir zeigen, dass die Entwicklung diese Meisterleistung vollbringen kann, tausend verschiedene Geruchsrezeptoren in einer unglaublich präzisen Karte zu organisieren, die bei allen Tieren konsistent ist“, sagte Datta. Eine separate Studie unter der Leitung des Labors von Catherine Dulac, Xander-Universitätsprofessorin am Institut für Molekular- und Zellbiologie der Harvard-Universität, die in derselben Ausgabe von Cell veröffentlicht wurde, kam zu übereinstimmenden Ergebnissen.

Was dies für die Behandlung von Geruchsverlust bedeutet

Über den Fortschritt in der Grundlagenforschung hinaus könnte diese Entdeckung praktische Auswirkungen haben. Für Geruchsverlust gibt es derzeit nur wenige wirksame Behandlungsmethoden, obwohl er die Sicherheit, die Ernährung und die psychische Gesundheit beeinträchtigen kann. „Wir können den Geruchssinn nicht wiederherstellen, ohne zu verstehen, wie er auf grundlegender Ebene funktioniert“, sagte Datta. Das Team arbeitet nun daran, zu verstehen, warum die Rezeptorstreifen in dieser spezifischen Reihenfolge auftreten und ob diese Anordnung auch beim Menschen vorliegt.

Dieses Wissen könnte neue Ansätze inspirieren, darunter Stammzelltherapien oder Gehirn-Computer-Schnittstellen, die darauf abzielen, den Geruchssinn wiederherzustellen. Der Geruchssinn hat einen wirklich tiefgreifenden und allgegenwärtigen Einfluss auf die menschliche Gesundheit, daher dient seine Wiederherstellung nicht nur dem Vergnügen und der Sicherheit, sondern auch dem psychischen Wohlbefinden“, sagte Datta. „Ohne das Verständnis dieser Karte sind wir bei der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden zum Scheitern verurteilt.“