Geruch und Riechen Wie Duft von der Nase ins Gehirn gelangt
Riechen ist für uns so normal, dass wir den Geruchssinn meist erst wahrnehmen, wenn er gestört ist oder ganz verloren geht. Dabei haben Gerüche einen enormen Einfluss: auf unsere Erinnerungen, Gefühle und sogar unser Verhalten.
Geruchssinn: Wie viele Gerüche können wir unterscheiden?
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. Beim Geruchssinn gibt es kaum belastbare Zahlen. Wie viele Geruchsmoleküle es gibt, die für unterschiedliche Düfte sorgen, ist nicht bekannt. Daher weiß man auch nicht, wie viele davon - eventuell auch in Kombination - 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. Die Bandbreite könnte je nach Wahrnehmung stark variieren und bei vielen deutlich geringer sein, mit nur einigen Tausenden unterscheidbaren Düften.
Video: Wie kann man den Geruchssinn trainieren?
Wahrnehmung: Riechen ist individuell
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 er bei anderen direkt Kopfschmerzen verursacht, weil er ihnen so stark vorkommt. Das liegt daran, dass der für diesen Geruch unempfindliche Mensch eine nicht-funktionale Rezeptorvariante in seiner Nase hat.
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 assoziiert? Verbindet man mit Blumenduft positive oder negative Erinnerungen? Grundlagenforschung auf diesem Gebiet betreibt Professor Hanns Hatt vom Lehrstuhl für Zellphysiologie an der Ruhr-Uni Bochum. Er fasst zusammen, "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".
Sinn und Gefühl: Der Duft in der Kunst
Geruchssinn: Die Evolution des Riechens
Der Geruchssinn ist der einzige Sinn, 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 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.
Als die ersten Lebewesen an Land gingen - wie Eidechsen und Krokodile - konnten sie durch den Geruchssinn wesentlich besser 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.
Entwicklung: Der Geruchssinn wird früh geprägt
Zum ersten Mal den Duft von Heu in der Nase: Wir lernen die Welt auch durch unseren Geruchssinn kennen - und das früher als gedacht.
Der Geruchssinn wird 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.
Gerüche: Unser Empfinden ist vererbbar
"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
So funktioniert Riechen: Von der Nase ins Gehirn
- 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.
- 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.
- 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.
Geruchsrezeptoren gibt es übrigens 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 Krebsgewebe vor. Ihre Funktion an diesen Stellen wird noch erforscht.
Riechen: Wie unsere Nase uns beeinflusst
Der Geruchsforscher Hanns 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.
Kommunikation per Duft: Was Gerüche (über) uns verraten
Wie stark der Geruchssinn unser soziales Verhalten mitbestimmt, wird oft unterschätzt. Denn wir nehmen den Duft anderer Menschen oft nur unterbewusst wahr. "Wenn man einen Infekt ausbrütet, ändert sich der Körpergeruch. Wenn sich die Laune ändert, man sich fürchtet oder freut, all das teilt man mit", sagt Thomas Hummel, Leiter des interdisziplinären Zentrums "Riechen und Schmecken" am Uniklinikum Dresden. "Ich kann zum Beispiel bei meiner Frau riechen, wenn sie nervös ist." Was er da genau wahrnimmt, kann der Arzt und Pharmakologe nicht sagen. "Es ist kein Duft, der einem in die Nase springt. Man nimmt es unterschwellig wahr."
Diese Kommunikation sei besonders ehrlich, weil der Aussendende sie nicht verändern könne, erklärt Bettina Pause, Professorin für Biologische Psychologie und Sozialpsychologie an der Universität Düsseldorf. "Ich möchte jetzt mal nach Freude riechen, obwohl ich ängstlich bin - das geht nicht", sagte sie 2021 bei einem Vortrag im KORTIZES Institut für populärwissenschaftlichen Diskurs. Man könne zwar Parfüm übersprühen, die Angstmoleküle würden aber trotzdem produziert.
Partnerwahl: Gerüche beeinflussen sexuelle Anziehung
Wenn wir jemanden "nicht riechen können", gehen wir instinktiv auf Abstand. Umgekehrt ziehen uns manche Menschen mit ihrem Körperduft nahezu unwiderstehlich an. Auch innerhalb der Familie spielt der Geruchssinn eine wichtige Rolle, er sei entscheidend für die Inzestschranke, sagt Neurologe Peter Berlit. "Dass man keine sexuellen Beziehungen zu engen Verwandten hat, läuft über den Geruchssinn - auch, wenn das bewusst gar nicht wahrgenommen wird."
Sogar Informationen über das Immunsystem lassen sich über den Geruch austauschen. Das gilt vor allem für die sogenannten MHC-Gene, einer Gruppe von Immungenen, die auch den Körpergeruch beeinflussen. Forscher gehen davon aus, dass Menschen wie Tiere diese Geruchsinformationen aufnehmen und bei der Partnerwahl mit einbeziehen. Menschen mit ähnlichem Immunsystem vermeide man als Liebespartner, sagt die Wissenschaftlerin Bettina Pause. Das mache Sinn: Partner mit möglichst unterschiedlichen Immunsystemen könnten auch viele unterschiedliche Gene an ihren Nachwuchs vererben. Bei Freundschaften ist es ganz anders: Sie riechen ähnlich, und das im doppelten Wortsinn. So haben enge Freunde Forschern zufolge nicht nur einen ähnlichen Körpergeruch. "Freunde sind sich darin ähnlich, wie sie die Welt geruchlich wahrnehmen."
Vom Geruch zum Gefühl: Wie Düfte wirken
Nobelpreis: Gene für Geruch entdeckt
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 das erste Geruchsmolekül, und dass es Geruchsrezeptor-Gene gibt. Gene also, die für die Programmierung der menschlichen Geruchsrezeptoren zuständig sind. 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.
Evolution: Der Geruchssinn ist ein offenes System
Dietmar Krautwurst, Geruchsforscher am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München, bezeichnet den Geruchssinn als "offenes System": Er kann sich verändern und weiterentwickeln. Evolutionär sei das für die Nahrungsfindung und -Auswahl von Vorteil gewesen: War eine Nahrungsquelle nicht mehr vorhanden, konnte man sich durch neue oder mutierte Geruchsrezeptoren Alternativen erschließen. Der Begriff des "offenen Systems" geht auf den Verhaltensforscher Ernst Mayr zurück. Bei anderen genetisch programmierten Verhaltensweisen seien demnach geschlossene Systeme von Vorteil, etwa bei der Fortpflanzung oder dem zentralen Nervensystem. Hier könnten Mutationen dramatische Folgen haben, weshalb der Körper sie unterdrückt.
Schlüsselaromen: Wonach Lebensmittel riechen
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. Ob Erdbeeren, Kaffee, Grillfleisch oder frisch gekochter Kohl: Wir erkennen sie 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: 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 unterschiedlichen Konzentrationen und Mischverhältnissen bestimmt wird. Insgesamt wurden 230 solcher Schlüsselaromastoffe bestimmt. Butter beispielsweise enthält 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.
Essen wir eine Banane, übersetzen wir die chemischen Geruchscodes in olfaktorische Reizmuster. Dafür müssen die Schlüsselgeruchsstoffe mit einem oder mehreren der etwa 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.
Duftnote: Der Geruch von Kaffee
Der Duft von gerösteten Kaffeebohnen kann andere Gerüche neutralisieren.
Riechstörungen: Geruchsverlust und Einschränkungen
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. Laut einer Studie erholte sich die Mehrheit der Patienten innerhalb von 28 Tagen wieder. Einige Menschen kämpfen nach der Infektion auch noch länger oder sogar dauerhaft mit Einschränkungen. In wenigen Fällen haben Erkrankte ihr Riechvermögen nach der Infektion nicht wiedererlangt. Bei manchen Erkrankungen kann ein Geruchstraining hilfreich sein, sodass man laut Dietmar Krautwurst "zumindest wieder irgendeinen Geruch riechen kann".
Forschung: Sind Gerüche programmierbar?
Der Geruchssinn wurde in der Wissenschaft lange eher vernachlässigt. Das hat sich mittlerweile geändert: Seit Jahren versuchen Forscher, den genauen Vorgang zwischen Geruch, Nase und Gehirn zu entschlüsseln. Das wäre nicht nur interessant für die Hirnforschung, sondern auch für die Lebensmittelindustrie und andere Bereiche. Wissenschaftler der University of California San Francisco sind dem im März 2023 vielleicht schon einen Schritt nähergekommen. Ihnen ist es erstmalig gelungen, die Interaktion zwischen einem Geruchsmolekül und einem menschlichen Geruchsrezeptor als 3D-Struktur abzubilden. Langfristig ist es das Ziel der Forscher, einen "molekularen Atlas" zu bauen, der alle Geruchsmoleküle und die jeweils darauf reagierenden Rezeptoren erfassen soll.
