Eine topographische Organisation im primären Riechkortex

Die verborgene Karte hinter unserem Geruchssinn

Wir neigen dazu, Geruch als etwas Ungeordnetes und Geheimnisvolles zu sehen: unzählige Geruchsmoleküle strömen in die Nase und werden irgendwie zu unterscheidbaren Düften in unserem Kopf. Bei Sehen und Tasten wissen Wissenschaftler schon lange, dass das Gehirn geordnete Karten verwendet, in denen benachbarte Nervenzellen auf benachbarte Stellen im Raum reagieren. Die vorliegende Studie fragt, ob etwas Ähnliches — eine verborgene Karte — auch für den Geruchssinn im sogenannten primären Riechkortex existiert, und zeigt, dass eine solche geordnete Anordnung tatsächlich vorhanden ist.

Von der Nasenoberfläche zu den Hirnschaltkreisen

Geruchsmoleküle, die in die Nase gelangen, aktivieren zuerst Strukturen, die Glomeruli genannt werden, im Riechkolben, der ersten Schaltstelle des Gehirns für Geruch. Jeder Glomerulus reagiert auf bestimmte Typen von Geruchsmolekülen. Bei Sehen oder Tasten sind benachbarte Punkte auf Auge oder Haut mit benachbarten Gehirnzellen verbunden und erzeugen so geordnete Karten. Jahrzehntelange Arbeiten deuteten jedoch darauf hin, dass Geruch anders sein könnte, mit scheinbar wirren und zufälligen Verbindungen vom Kolben zum Kortex. Die Autorinnen und Autoren gingen dieses Rätsel mit neuen Werkzeugen erneut an und fragten nicht nur, woher die Eingänge stammen, sondern wie Gruppen von Glomeruli zusammen einzelne Neuronen tiefer im Gehirn antreiben.

Geruchswege mit feinen Mustern beleuchten

Um diese Organisation aufzudecken, verwandelten die Forschenden den Riechkolben in einen kontrollierbaren "Eingabebildschirm". Mithilfe von Mäusen, deren Kolbenneuronen durch Licht aktiviert werden konnten, projizierten sie tausende kleine blaue Lichtmuster über die Oberfläche des Kolbens, während sie die elektrische Aktivität vieler Neuronen im anteriore Piriformkortex, einem wichtigen geruchverarbeitenden Bereich, aufzeichneten. Indem sie verfolgten, welche Kolbenregionen beleuchtet werden mussten — einzeln oder in Kombination — um ein bestimmtes kortikales Neuron zum Feuern zu bringen, erstellten sie für jede kortikale Zelle eine Art rezeptives Feld: eine Liste von Glomeruli, die sie erregten, hemmten und mit welcher Stärke.

Viele Eingänge, flexible Reaktionen

Die Karten zeigten, dass ein typisches kortikales Neuron Signale von mehreren Dutzend Glomeruli über den gesamten Kolben hinweg verwendet. Einige dieser Eingänge treiben das Neuron zum Feuern, andere bremsen es. Wichtig ist, dass ein Neuron nicht wie ein Detektor für ein einziges präzises Muster von Kolbenaktivität funktionierte. Stattdessen konnte es von mehreren verschiedenen kleinen Teilmengen seiner Eingangsglomeruli aktiviert werden, solange die Gesamteingangsstärke ausreichend war. Mit anderen Worten: Dasselbe Neuron konnte auf mehrere unterschiedliche Kombinationen von Geruchssignalen reagieren, was auf einen flexiblen, überlappenden Code statt auf ein starres „ein Muster, ein Neuron“-Schema hindeutet.

Benachbarte Neuronen teilen mehr gleiche Geruchseingänge

Als das Team die Eingangskarten vieler kortikaler Neuronen verglich, zeigte sich ein klarer Trend: Neuronen, die nahe beieinander im primären Riechkortex lagen, griffen tendenziell auf ähnliche Glomeruli zurück als weiter voneinander entfernte Neuronen. Ihre bevorzugten Glomeruli lagen häufig nahe beieinander auf dem Kolben, und benachbarte Neuronen teilten manchmal sogar bestimmte Glomeruli, wenn auch mit erregenden oder hemmenden Effekten, die sich unterscheiden konnten. Mit wachsendem physischen Abstand zwischen zwei kortikalen Neuronen nahm die Ähnlichkeit ihrer Eingangskarten ab. Dieses Muster hielt sich über viele Aufzeichnungssitzungen hinweg und nach sorgfältigen Kontrollen, die sicherstellten, dass einzelne Neuronen nicht miteinander verwechselt wurden.

Eingangskarten stimmen mit Reaktionen auf echte Düfte überein

Die Forschenden untersuchten dann, ob dieses Verdrahtungsmuster sich auch in der Reaktion der Neuronen auf reale Gerüche zeigt. Durch Analyse neuer Daten und zuvor veröffentlichter Aufzeichnungen kortikaler Antworten auf Geruchssets fanden sie, dass Neuronen in räumlicher Nähe tendenziell etwas ähnlichere Geruchspräferenzen hatten als entfernte. Der Effekt war klein, aber beständig sowohl bei wachen als auch bei anesthesierten Tieren. Darüber hinaus neigten Neuronenpaare mit ähnlicheren Eingangskarten aus dem Kolben auch dazu, auf Geruchsmischungen ähnlicher zu reagieren, wodurch der verborgene Verdrahtungsplan direkt mit dem realen sensorischen Verhalten im Kortex verknüpft wurde.

Was das für unseren Geruchssinn bedeutet

Jahrelang wurde der Riechkortex als weitgehend unstrukturiert angesehen, ein Wirrwarr zufälliger Verbindungen im Gegensatz zu den ordentlichen Karten anderer Sinne. Diese Arbeit zeigt, dass sich unter der scheinbaren Zufälligkeit eine subtile topographische Regel verbirgt: Neuronen, die nahe beieinander im primären Riechkortex sitzen, erhalten tendenziell ähnlicher gemischte Geruchsinformationen aus der Nase und reagieren auf Düfte ähnlicher. Statt einer einfachen Eins-zu-eins-Karte verwendet der Geruchssinn ein Viele-zu-eins-Muster, bei dem sich überlappende Gruppen von Glomeruli in Cluster benachbarter kortikaler Neuronen bündeln. Diese Organisation könnte dem Gehirn helfen, Verdrahtungskosten, Flexibilität und die Fähigkeit, verwandte Gerüche zu erkennen und zugleich zu unterscheiden, auszubalancieren.

Zitation: Taragin, S., Bashan, O., Dalal, T. et al. A topographical organization in the primary olfactory cortex. Nat Commun 17, 3994 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70356-9

Schlüsselwörter: Riechkortex, sensorische Karten, neuronale Schaltkreise, Geruchskodierung, topographische Organisation