Umfangreiche Verbindungen zwischen Neuronen helfen dem Gehirn, Gerüche zu unterscheiden

Umfangreiche Verbindungen zwischen Neuronen helfen dem Gehirn, Gerüche zu unterscheiden

Die Organisation – oder der Mangel daran – im piriformen Kortex des Gehirns ermöglicht es uns, einen Geruch vom anderen zu unterscheiden

LA JOLLA – Können Sie den Duft einer Rose vom Duft eines Flieders unterscheiden? Wenn ja, haben Sie es dem piriformen Kortex Ihres Gehirns zu verdanken. Im Vergleich zu vielen Teilen des Gehirns sieht der piriforme Kortex – der es Tieren und Menschen ermöglicht, Informationen über Gerüche zu verarbeiten – wie ein chaotisches Durcheinander von Verbindungen zwischen Zellen, sogenannten Neuronen, aus. Jetzt haben Forscher des Salk Institute herausgefunden, dass die Zufälligkeit des piriformen Kortex tatsächlich entscheidend dafür ist, wie das Gehirn zwischen ähnlichen Gerüchen unterscheidet.

„Das Standardparadigma ist, dass Informationen im Gehirn dadurch kodiert werden, welche Zellen aktiv sind, aber das gilt nicht für das olfaktorische System“, sagt er Karl Stevens, angesehener emeritierter Professor im Molecular Neurobiology Laboratory von Salk und Mitautor der neuen Arbeit. „Im olfaktorischen System kommt es offenbar nicht darauf an, welche Zellen aktiv sind, sondern wie viele Zellen sind aktiv und wie aktiv sie sind.“

Abgesehen von einem besseren Verständnis, wie Gerüche verarbeitet werden, ist die neue Forschung, veröffentlicht in der Journal of Comparative Neurology am 17. Juli 2018 könnte auch zu besseren Erkenntnissen darüber führen, wie bestimmte Teile des Gehirns Informationen organisieren.

Wenn Geruchsmoleküle – die Signatur eines bestimmten Geruchs – an die Rezeptoren in der Nase einer Person binden, wird das Signal an den Riechkolben und von dort an den piriformen Kortex weitergeleitet. In anderen Sinnessystemen – wie dem visuellen System – behalten Informationen eine strenge Ordnung bei, während sie durch das Gehirn wandern. Bestimmte Teile des Auges leiten beispielsweise immer Informationen an bestimmte Teile des visuellen Kortex weiter. Doch Forscher wissen seit langem, dass diese Ordnung im piriformen Kortex fehlt.

„Wir konnten bei keiner Spezies eine Ordnung in den piriformen Kortexverbindungen erkennen“, sagt Co-Autor Shyam Srinivasan, stellvertretender Projektwissenschaftler am Kavli Institute for Brain and Mind der University of California San Diego. „Jeder Geruch erleuchtet etwa 10 Prozent der Neuronen, die über den gesamten piriformen Kortex verstreut zu sein scheinen.“

Um die Details herauszufinden, wie der piriforme Kortex Geruchsinformationen kodiert – und ob seine Verbindungen wirklich zufällig sind – analysierten Stevens und Srinivasan den piriformen Kortex von neun Mäusen mithilfe verschiedener Färbe- und Mikroskopietechniken, die es ihnen ermöglichten, verschiedene Zelltypen in ihnen sichtbar zu machen Gehirnregion. Ihr erstes Ziel: die Anzahl und Dichte der Zellen im piriformen Kortex zu quantifizieren.

„Das war wirklich wie eine Umfrage“, erklärt Srinivasan. „Wir haben die Zellen in verschiedenen repräsentativen Gebieten gezählt und sie über die gesamte Region gemittelt.“

Sie kamen zu dem Schluss, dass der piriforme Kortex der Maus etwa eine halbe Million Neuronen enthält, die zu gleichen Teilen auf den größeren, weniger dichten hinteren Piriformis und den kleineren, dichteren vorderen Piriformis aufgeteilt sind.

Mithilfe dieser ersten Informationen über Dichte und Neuronenzahl sowie Erkenntnissen aus früheren Studien über die Anzahl der Neuronen im Riechkolben und darüber, wie viele neuronale Verbindungen – oder Synapsen – den Riechkolben mit dem piriformen Kortex verbinden, gelang es dem Forscherpaar Um eine überraschende Erkenntnis zu ziehen: Jedes Neuron im Riechkolben ist mit fast jedem einzelnen Neuron im piriformen Kortex verbunden.

„Jede Zelle im Piriformis erhält Informationen von praktisch jedem Geruchsrezeptor, den es gibt“, sagt Stevens. „Es gibt nicht ein einziges ‚Kaffeegeruch‘-Neuron, sondern eine ganze Reihe von Kaffeezellen-Neuronen überall.“ Anstatt dass ein einzelner Rezeptor einen Geruch erkennt und eine Gruppe verräterischer Neuronen zum Leuchten bringt, erklärt er, hat jeder Geruch einen Fingerabdruck, der mehr auf der Stärke der Verbindungen basiert – während der Geruch von Kaffee fast dieselben Neuronen im piriformen Kortex aktivieren kann Wie der Geruch von Schokolade aktivieren sie jedes Neuron in unterschiedlichem Maße.

„Ein Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es sehr komplexe Informationen kodieren kann“, sagt Srinivasan. „Außerdem ist es dadurch sehr robust gegenüber Lärm.“ Wenn ein Neuron ein „verrauschtes“ Signal sendet – eine stärkere oder schwächere Aktivierung als es sollte – wird das Rauschen durch die vielen anderen Neuronen, die gleichzeitig genauere Signale senden, aufgehoben.

Die Forscher würden die Arbeit gerne an anderen Tieren wiederholen, um herauszufinden, wo Gemeinsamkeiten und Unterschiede bestehen. Sie sind auch daran interessiert, andere Bereiche des Gehirns zu untersuchen, von denen lange angenommen wurde, dass sie von scheinbar zufälligen Verbindungen dominiert werden, um herauszufinden, ob sie auf die gleiche Weise organisiert sind.

Stevens und Srinivasan, die ebenfalls einen Aufsatz herausgebracht haben Journal of Neuroscience am 13. Juli über die Verwendung des olfaktorischen Lernschaltkreises der Fruchtfliege zur Verbesserung der aktuellen Palette von Deep-Learning-Algorithmen wurden vom Kavli Institute for Brain and Mind an der UC San Diego und der National Science Foundation finanziert.