Weitreichende Verbindungen zwischen Neuronen helfen dem Gehirn, Gerüche zu unterscheiden

Weitreichende Verbindungen zwischen Neuronen helfen dem Gehirn, Gerüche zu unterscheiden

Organisation oder mangelnde Organisation im piriformen Kortex des Gehirns ermöglicht es uns, einen Geruch von einem anderen zu unterscheiden

LA JOLLA – Können Sie den Geruch einer Rose vom Duft einer Flieder unterscheiden? Wenn ja, dann haben Sie dem piriformen Kortex Ihres Gehirns zu danken. Im Vergleich zu vielen Teilen des Gehirns sieht der piriforme Kortex – der es Tieren und Menschen ermöglicht, Informationen über Gerüche zu verarbeiten – aus wie ein unordentliches Durcheinander von Verbindungen zwischen Zellen, die Neuronen genannt werden. Nun haben Forscher des Salk Institute aufgezeigt, wie die Zufälligkeit des piriformen Kortex tatsächlich entscheidend dafür ist, wie das Gehirn zwischen ähnlichen Gerüchen unterscheidet.

“Das Standardparadigma ist, dass Informationen im Gehirn durch die aktiven Zellen kodiert werden, aber das ist für das Geruchssystem nicht der Fall”, sagt Charles Stevens, Distinguished Professor Emeritus im Molekularbiologischen Labor des Salk Institute und Co-Autor der neuen Arbeit. “Im olfaktorischen System stellt sich heraus, dass es nicht darum geht, welche Zellen aktiv sind, sondern wie viele Zellen aktiv sind und wie aktiv sie sind.”

Neben einem besseren Verständnis, wie Gerüche verarbeitet werden, zeigt die neue Forschung, die in der Zeitschrift für Vergleichende Neurologie am 17. Juli 2018, könnte auch zu tieferen Einblicken führen, wie einige Teile des Gehirns Informationen organisieren.

Wenn Geruchsstoffmoleküle – die Signatur jedes Geruchs – an die Rezeptoren in der Nase eines Menschen binden, wird das Signal an den Riechkolben und von dort an den Piriformkortex weitergeleitet. In anderen sensorischen Systemen – wie dem visuellen System – behält die Information auf ihrem Weg durch das Gehirn eine strenge Ordnung. Bestimmte Teile des Auges leiten beispielsweise immer Informationen an spezifische Teile des visuellen Kortex weiter. Forscher wissen jedoch seit langem, dass diese Ordnung im Piriformkortex fehlt.

“Wir konnten in keiner Spezies eine Ordnung in den Verbindungen des piriformen Kortex erkennen”, sagt Koautor Shyam Srinivasan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kavli Institute for Brain and Mind der University of California San Diego. “Jeder Geruch aktiviert etwa 10 Prozent der Neuronen, die über den gesamten piriformen Kortex verstreut zu sein scheinen.”

Um die Details der Geruchsinformationenkodierung im piriformen Kortex – und ob seine Verbindungen wirklich zufällig sind – zu ermitteln, analysierten Stevens und Srinivasan die piriformen Kortizes von neun Mäusen mithilfe verschiedener Färbe- und Mikroskopietechniken, mit denen sie verschiedene Zelltypen in der Gehirnregion visualisieren konnten. Ihr erstes Ziel: die Anzahl und Dichte der Zellen im piriformen Kortex zu quantifizieren.

“Das war wirklich wie eine Erhebung”, erklärt Srinivasan. “Wir haben die Zellen in verschiedenen repräsentativen Bereichen 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 sich zu gleichen Teilen auf den größeren, weniger dichten posterioren piriformen und den kleineren, dichteren anterioren piriformen Kortex verteilen.

Anhand dieser ersten Informationen über die Dichte und die Anzahl der Neuronen sowie des Wissens 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, konnte das Forscherpaar eine überraschende Erkenntnis gewinnen: Jedes Neuron im Riechkolben ist mit fast jedem einzelnen Neuron im piriformen Kortex verbunden.

“Jede Zelle im Pyriform erhält Informationen von praktisch jedem Geruchsrezeptor, der existiert”, sagt Stevens. “Es gibt nicht ein einziges Neuron für den Duft von Kaffee, sondern eine ganze Reihe von Neuronen für Kaffee, die überall verstreut sind.‘ Anstatt dass ein einzelner Rezeptor einen Geruch erkennt und eine Gruppe von verräterischen Neuronen aktiviert, erklärt er, hat jeder Geruch einen Fingerabdruck, der mehr auf der Stärke der Verbindungen basiert – während der Geruch von Kaffee fast dieselben Neuronen im Pyriform-Kortex aktivieren kann wie der Geruch von Schokolade, aktivieren sie jedes Neuron in unterschiedlichem Maße.

“Ein Vorteil dieses Systems ist, dass es sehr komplexe Informationen kodieren kann”, sagt Srinivasan. “Es macht es auch sehr robust gegenüber Rauschen.” Wenn ein Neuron ein “rauschendes” Signal sendet – stärkere oder schwächere Aktivierung als es sollte –, wird das Rauschen von den vielen anderen Neuronen, die gleichzeitig genauere Signale senden, ausgelöscht.

Die Forscher möchten die Arbeit an anderen Tieren wiederholen, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu erkennen. Sie sind auch daran interessiert, andere Hirnareale zu untersuchen, bei denen lange Zeit angenommen wurde, dass sie von scheinbar zufälligen Verbindungen dominiert werden, um zu sehen, ob sie auf die gleiche Weise organisiert sind.

Stevens und Srinivasan, die ebenfalls eine Arbeit veröffentlichten in der Journal of Neuroscience am 13. Juli zur Nutzung des olfaktorischen Lernkreislaufs von Fruchtfliegen zur Verbesserung des aktuellen Bestands an Deep-Learning-Algorithmen finanziert, wurden vom Kavli Institute for Brain and Mind der UC San Diego und der National Science Foundation gefördert.