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Geruch Wie Duft von der Nase ins Gehirn gelangt

Riechen ist für uns so normal, dass wir den Geruchssinn meist erst wahrnehmen, wenn er uns abhanden kommt. Gerüche beeinflussen uns stärker, als uns bewusst ist. Sie haben Einfluss auf Erinnerungen und Gefühle.

Stand: 29.04.2021

Frau riecht an Rosen. | Bild: colourbox.com

Wie viele unterschiedliche Gerüche wir wahrnehmen können, weiß bis heute niemand. Bei Augen und Ohren lässt sich die Leistungsfähigkeit der Sinne einfacher bestimmen als beim Geruchssinn. Denn es gibt Größen, die als Referenz dienen: das Spektrum der vom Menschen sichtbaren Wellenlängen des Lichts und der hörbaren Tonfrequenzen. Laut Schätzungen kann das Gehör etwa 340.000 unterschiedliche Töne erkennen. Augen können 2,3 bis 7,5 Millionen Farben unterscheiden.

Der Geruchssinn ist schlecht messbar

Beim Geruchssinn gibt es kaum belastbare Zahlen. Da nicht bekannt ist, wie viele Geruchsmoleküle es insgesamt gibt, weiß man auch nicht, wie viele davon die menschliche Nase erkennen kann.

2014 verkündeten Forscher von der Rockefeller University in New York, dass die menschliche Nase eine Billion Gerüche unterscheiden kann. Dieses Studienergebnis ist inzwischen widerlegt worden. In die statistische Hochrechnung anhand von Experimenten hatte sich ein Rechenfehler eingeschlichen. Seither gilt wieder: Man weiß nicht, wie viele Gerüche der Mensch unterscheiden kann.

Gerüche - auf der Überholspur ins Gehirn

Was man aber weiß, ist, dass der Geruchssinn der einzige Sinn ist, der einen direkten Zugang zum Zentrum der Erinnerung und der Emotionen im Gehirn hat, also zum Hippocampus und zum limbischen System. Der Geruchssinn ist außerdem der älteste Sinn, der schon im Mutterleib geprägt wird: Riechen, sagt Geruchsforscher Hanns Hatt von der Universität Bochum, hat sich in der Evolution vor dem Sehen und Hören entwickelt und war schon im "Urmeer" von elementarer Bedeutung.

Immer der Nase nach - Kommunikation per Geruchssinn

Als die ersten Lebewesen an Land gingen - wie Eidechsen und Krokodile - konnten sie durch den Geruchssinn wesentlich weiter kommunizieren als durch das Sehen. Durch den Geruch konnten nicht nur Nahrung oder Feinde über eine weite Entfernung ausgemacht werden, sondern auch geeignete Partner. Deshalb war der Geruchssinn so wichtig bei den ersten Lebewesen an Land und allen, die sich aus ihnen entwickelten, so Hatt weiter. Seinen Höhepunkt hatte diese Entwicklung schließlich bei den Nagern: Von Mäusen und Ratten wissen Forscher, dass sie den besten Geruchssinn haben. Während der Urfisch über zehn Riechrezeptoren verfügte, haben Ratten mehr als 1.000.

Riechen wird im Mutterleib geprägt

Düfte - wie die Mutter, so das Kind

Der Geruchssinn wird auch bei menschlichen Embryos deutlich früher ausgeprägt als das Hören und Sehen. Ab der 26. bis 27. Schwangerschaftswoche zeigt sich laut Hanns Hatt bei Embryonen, dass die Nase und die dazugehörigen Hirnstrukturen schon angelegt sind. Und es konnte nachgewiesen werden, dass Embryos im Mutterleib riechen können und dadurch schon im Bauch der Mutter Düfte kennenlernen. So kann es sein, dass man später als junger Menschen einen Duft noch nie selbst gerochen hat, aber trotzdem darauf reagiert:

"Wir lernen auch Düfte bewerten, mit der Mutter sozusagen. Also Düfte, die die Mutter hasst und die bei ihr besonders negative Emotionen hervorrufen, das überträgt sich auf den Embryo. Und der speichert diesen Duft schon als ganz negativ ab."

Professor Hanns Hatt, Zellbiologe und Geruchsforscher an der Ruhr-Universität Bochum im Gespräch mit Gerda Kuhn, Bayern 2

Wie Riechen funktioniert

Nasenschleimhaut

Nur eine feuchte Nasenschleimhaut kann die Geruchsmoleküle - die mikroskopisch kleinen Teilchen einer riechenden Substanz - dorthin transportieren, wo sie wahrgenommen werden: an die Riechzellen. Diese sind spezialisierte Nervenzellen am Dach der Nasenhöhle. Rund 30 Millionen hat jeder von uns davon und eine jede trägt auf ihrer Oberfläche spezielle Rezeptoren.

Rezeptoren

Diese Rezeptoren, also die Sensoren für Duftstoffe in unserer Nase, sind spezialisiert. Man kann sie mit einem Türschloss vergleichen, in das nur ein Schlüssel passt. Können Duftmoleküle an den Rezeptor andocken, lösen sie eine elektrische Erregung aus. Die Riechzelle sendet diesen Reiz entlang feiner Riechfasern direkt weiter zum sogenannten "Riechkolben" oberhalb der Nasenwurzel im Gehirn.

Riechkolben und Riechzentrum

Dieser Riechkolben ist die zentrale Schaltstelle, in der die erste Verarbeitung des Geruchs erfolgt. Von dort geht das Signal weiter an das Riechzentrum des Gehirns, das direkt hinter der Nase sitzt. Hier findet die Analyse des einlaufenden Signals statt. Die Ergebnisse werden an unser Großhirn weitergeleitet. Jetzt ist es endlich soweit: Wir nehmen den Geruch in unserer Nase wahr. Das alles geschieht in weniger als einer halben Sekunde.

1991: Gene für Geruch entdeckt

Wie viele Gerüche wir riechen können, ist unbekannt. Wie der Geruchssinn funktioniert, weiß man im Detail seit 1991. Die Neurophysiologin Linda B. Buck und der Mediziner Richard Axel von der Columbia University, New York, entdeckten, dass es Geruchsrezeptor-Gene gibt und auch das erste Geruchsmolekül. Damit deckten die Forscher auf, wie der Geruchssinn organisiert ist. Zwar waren Teile des Systems schon im Vorfeld bekannt, zum Beispiel Signalkaskaden und Botenstoffe, aber eben nicht das komplette System.

Für ihre bahnbrechende Entdeckung erhielten die Wissenschaftler 2004 den Medizin-Nobelpreis. Inzwischen ist nachgewiesen, dass Menschen insgesamt rund 800 Geruchsrezeptor-Gene haben, von denen die Hälfte abgeschaltet ist. Wir nutzen also nur rund 400 der Gene für Geruch, die wir besitzen. Trotzdem sind die Geruchsrezeptor-Gene noch die größte Genfamilie im Genom des Menschen und machen etwa zwei Prozent unserer Gene aus.

Der Geruchssinn ist ein offenes System

Der Geruchssinn ist ein "dynamischer Genpool", sagt Dietmar Krautwurst, Geruchsforscher am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München (TUM). Es findet keine "negative Selektion statt und Mutationen sind erlaubt". Gene können dadurch an- und abgeschaltet werden. So ist Weiterentwicklung möglich und Raum für Evolution. Undenkbar wäre das bei geschlossenen Systemen wie der Fortpflanzung, dem Hormon- und dem zentralen Nervensystem. Mutationen können hier dramatische Folgen haben und der Körper schaltet sicherheitshalber auf Nulltoleranz.

Wem der Duft stinkt

Mitten im Gesicht

Geruchsforscher Professor Hanns Hatt

Lange führte der Geruchssinn in der Forschung ein Schattendasein. Einer, der auf diesem Gebiet Grundlagenforschung betreibt, ist Hanns Hatt, Professor am Lehrstuhl für Zellphysiologie an der Ruhr-Uni Bochum. Hatt findet es verwunderlich, dass wir kaum auf den Geruchssinn achten, obwohl doch die Nase als Mittelpunkt im Gesicht steht und der Mensch genauso von Gerüchen gesteuert wird, wie es im Tierreich bekannt ist.

Chemorezeptoren

Wie sehr der Riechsinn eines Menschen ausgeprägt ist, wird mit Labortests und den unterschiedlichsten Gerüchen wie Ammoniak, Knoblauch oder Lavendel untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Chemorezeptoren der Riechzellen - genetisch bedingt - höchst unterschiedlich ausgeprägt sind. So können einige Probanden einen Geruch gar nicht wahrnehmen, während andere direkt Kopfschmerzen von ihm bekommen, weil er ihnen so stark vorkommt. Das liegt daran, dass der für diesen Geruch unempfindliche Mensch eine nicht-funktionale Rezeptorvariante in seiner Nase hat.

Erinnerungen prägen

Geruchsforscher Professor Hanns Hatt

Auch bei der weiteren Verarbeitung im sogenannten olfaktorischen Kortex des Gehirns ist das Geruchserlebnis höchst individuell. Dabei kommt die persönliche Biografie zum Tragen: Welche früheren Erlebnisse werden mit dem Duftreiz verbunden? Verbindet man mit Blumenduft positive oder negative Erinnerungen? Laut Geruchsforscher Professor Hanns Hatt bedeutet das, "dass jedes Duftmolekül, das wir mit der Nase wahrnehmen, mit jedem Atemzug, direkt im Erinnerungszentrum abgespeichert wird, und die Emotion, die man hat, gleichzeitig mitverpackt wird."

Lebensmittel haben "Geruchsstoffmuster"

Die Riechzellen in unserer Nase können unzählig viele flüchtige Verbindungen in der Luft wahrnehmen und verarbeiten. Und Lebensmittel strömen auch eine Vielzahl an Aromen aus. Sie stammen von nur 230 Schlüsselaromastoffen, die in unterschiedlichen Konzentrationen und Mischverhältnissen in Lebensmitteln vorkommen. So enthält Butter beispielsweise nur 3 Aromastoffe, Erdbeeren 12, Rotwein etwa 20 und Whiskey 40. Mit den 230 Schlüsselaromastoffen "kann man sich fast alle Lebensmittel zusammenbauen", sagt Dietmar Krautwurst, der an einer Studie über Geruchsstoffmuster von Lebensmitteln beteiligt war. Interessant ist, dass Menschen ähnlich viele aktive Geruchsrezeptor-Gene in der Nase haben, etwa 270 bis 300.

Geruchscode von Lebensmitteln entschlüsselt

Der Duft von Erdbeeren

Erdbeeren, Kaffee, Grillfleisch, frisch gekochter Kohl: Wir erkennen Lebensmittel an ihrem Geruch. Wie wir das machen, haben Professor Thomas Hofmann und sein Team von der Technischen Universität München untersucht. Sie haben das Geruchsstoffmuster von 227 Lebensmittelproben analysiert und Überraschendes festgestellt:

Schlüsselaromen bestimmen Geschmack

Neben den fünf Geschmacksrichtungen süß, salzig, bitter, sauer und umami tragen viele verschiedene Geschmacksnoten zum sensorischen Gesamteindruck eines Lebensmittels bei. Bisher wurden etwa 10.000 flüchtige Verbindungen in Lebensmitteln identifiziert. Bei der Analyse der Geruchsstoffmuster kam heraus, dass der typische Geruch eines einzelnen Lebensmittels jedoch nur von drei bis 40 Schlüsselaromen in speziellen Konzentrationen bestimmt wird. Und die nahezu unbegrenzte Vielfalt an Lebensmittelaromen beruht auf nur 230 Schlüsselgeruchsstoffen.

Gehirn bastelt Duftnote zusammen

Essen wir eine Banane, übersetzen wir die chemischen Geruchscodes in olfaktorische Reizmuster. Dafür müssen die Schlüsselgeruchsstoffe mit einem oder mehreren der knapp 300 Geruchsrezeptoren in der Nase zusammenarbeiten. "Mit der Kombination von nur wenigen Schlüsselaromen lässt sich eine authentische Geruchswahrnehmung erzeugen", so Professor Hofmann vom Lehrstuhl für Lebensmittelchemie und molekulare Sensorik der TU München. So riecht eine Komponente der Erdbeere eigentlich nach Zuckerwatte, fehlt dieses Aroma allerdings, schmeckt die Erdbeere eben nicht mehr nach Erdbeere.

Wenn die Nase nachlässt - Krebs-Medikamente, Alzheimer, Covid-19

Der Geruchssinn kann durch Mutationen eingeschränkt sein, aber auch durch Krankheiten verloren gehen. Zum Beispiel bei Krebs- und Asthma-Patienten durch Medikamente, durch psychische Erkrankungen wie Neurosen, Virusinfektionen, Feinstaub oder toxische Substanzen. Riechstörungen können aber auch ein Warnsignal sein und lange auftreten, bevor Krankheiten ausbrechen. Das ist bekannt bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Multipler Sklerose und Parkinson. Die Störung oder der Verlust des Geruchssinns können sowohl reversibel, als auch nicht umkehrbar sein.

Eklatant ist das bei Covid-19: Ein untrügliches Symptom der Infektion ist der Verlust von Geruchs- und/oder Geschmackssinn, obwohl man keinen Schnupfen hat. Laut einer Studie erholte sich die Mehrheit der Patienten innerhalb von 28 Tagen wieder, aber ein Viertel der Betroffenen hatte weiterhin mit Einschränkungen zu kämpfen. Ein Prozent der Erkrankten hatte nach der Infektion speziell das Riechvermögen nicht wiedererlangt. Bei manchen Erkrankungen kann ein Geruchstraining hilfreich sein, sodass man laut Dietmar Krautwurst "zumindest wieder irgendeinen Geruch riechen kann."

Geruchsrezeptoren außerhalb der Nase

Geruchsrezeptoren gibt es auch außerhalb der Nase, zum Beispiel im Darm, im Herzen, in der Lunge, in den Hoden, der Haut oder in weißen Blutzellen, die für die Arbeit des Immunsystems wichtig sind. Zudem kommen sie auch in Krebs-Gewebe vor. Ihre Funktion an diesen Stellen wird noch erforscht. Der Geruchssinn, unser archaischster Sinn, bleibt also weiterhin spannend.

  • Es liegt was in der Luft! Die Welt duftet. odysso, ARD-alpha, 05.05.2020, 15.15 Uhr
  • radioWissen: Supersensor Nase - Diagnose und Therapie von Riechstörungen, Bayern 2, 23.03.2018, 09.05 Uhr
  • radioWissen: Düfte beschrieben - Immer der Nase nach, Bayern 2, 02.01.2018, 09.05 Uhr
  • Planet Wissen "Wie das Riechen unser Leben beeinflusst", mit Prof. Hanns Hatt, ARD-alpha 07.07.2017, 15.00 Uhr
  • IQ - Wissenschaft und Forschung: "Riechen - unser ältester Sinn". Gerda Kuhn im Gespräch mit dem Zellbiologen und Geruchsforscher Prof. Hanns Hatt, Bayern 2, 23.05.2017 18.05 Uhr
  • radioWissen: "Wunderwerk Nase - Das Riech- und Atemorgan des Menschen", Bayern 2, 27.06.2014, 9.05 Uhr; 10.07.2014, 15.05 Uhr

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