Wie Nervenzellen Geruchsreize unterscheiden

Die Entdeckung des Verschaltungsprinzips der "lateralen Hemmung" im Auge wurde vor 43 Jahren mit dem Nobelpreis an Haldan K. Hartline, George Wald und Ragnar Granit gewürdigt. Die Heidelberger Wissenschaftler konnten das gleiche Prinzip jetzt erstmals für das Riechsystem nachweisen, von der Ebene der Moleküle bis zum Verhalten.

Geruchsstoffe binden in der Nasenschleimhaut an Rezeptoren der Riechzellen und lösen dort Nervensignale aus. Diese werden im sogenannten Riechkolben, einem Teil des Gehirns, weiterverarbeitet. In dem Nervennetzwerk findet die Umwandlung des ankommenden Signals in ein spezifisches elektrisches Muster statt, das an die Großhirnrinde und andere Hirnareale weitergeleitet und dort erkannt wird.

Die Forscher konnten jetzt zum ersten Mal zeigen, wie sich die neuronale Verarbeitung von Geruchsreizen direkt auf das Verhalten von Versuchstieren auswirkt. Sie haben die Informationsverarbeitung im Riechkolben spezifisch manipuliert und dann die Auswirkungen dieser genetischen Manipulation anhand der Reaktionszeit gemessen. So konnten sie nachweisen, dass die Versuchstiere aufgrund lokaler Hemmschleifen einander sehr ähnliche Duftstoffmischungen schneller, aber trotzdem zuverlässig unterscheiden konnten.

Die Hemmung über zwischengeschaltete Nervenzellen wirkt wie eine Art Filter, indem starke Reize verstärkt und schwache Reize weiter abgeschwächt werden. So wird die wesentliche Information besser erkennbar. Die Reaktionszeit bei den Versuchstieren wurde um etwa 50 ms verkürzt. Die Zeit, die die Versuchstiere zum Erlernen der verschiedenen Gerüche benötigten, und die Erinnerungsfähigkeit blieben dabei unbeeinflusst. Auch die Erkennung einfacher Duftstoffe veränderte sich nicht.

Die Wissenschaftler schleusten über eine virale Genfähre das Enzym Cre-Rekombinase direkt in die Nervenzellen des Riechkolbens junger Mäuse ein. Im Genom dieser Mäuse wurden über gentechnisch eingeführte Erkennungsstellen dieser Enzyme ein bestimmter Genabschnitt entfernt. Dies führte zur Ausschaltung eines Rezeptors auf den zwischengeschalteten Nervenzellen. Durch diese gezielte Manipulation wurden die Hemmschleifen besonders aktiv. Mit den sonst üblichen "Knock-out"-Modellen, bei denen das Gen gleich im gesamten Körper ausgeschaltet wird, wäre die nachfolgende, selektive Verhaltensbeobachtung nicht möglich gewesen. In einer ausgeklügelten Versuchsanordnung mussten die Mäuse dann lernen, einfache und komplizierte, aus mehreren Duftstoffen zusammengesetzte Gerüche zu erkennen. Mit elektrophysiologischen Messungen, bildgebenden Verfahren und anatomischen Techniken wurde schließlich eine Verbindung vom Molekül zum Verhalten hergestellt.

Quelle: Abraham, N. M. et al.: Neuron 2010, 65:399-411