Architektur des Riechens

Glomeruli im Riechhirn besitzen einzigartige Struktur

22.09.2016 - Deutschland

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena haben jetzt die Funktionseinheiten des Geruchszentrums, die für die Geruchswahrnehmung zuständig sind, im Hirn von Essigfliegen quantifiziert und kartiert. Sie fanden heraus, dass sich die sogenannten olfaktorischen Glomeruli im Antennallobus, dem Riechkolben der Insekten, in ihrer Architektur voneinander unterscheiden. Die Form und detaillierte Struktur dieser kugelförmigen Hirnareale gibt Hinweise auf die ökologische Bedeutung einzelner Düfte, die darin verarbeitet werden, insbesondere im Hinblick auf das duftgesteuerte Verhalten der Fliegen.

Bei der Suche nach geeigneter Nahrung, einer Paarungspartnerin oder einem Paarungspartner oder aber einem Platz zum Ablegen ihrer Eier, auf dem der Nachwuchs gut gedeihen kann, sind Insekten auf ihren Geruchssinn angewiesen. Mit ihren Geruchsorganen, den Fühlern oder Antennen, spüren sie Duftmoleküle in ihrer Umgebung auf. Verarbeitet werden die Düfte im sogenannten Antennallobus, dem eigentlichen Geruchszentrum im Hirn von Insekten, der aus kugelförmigen Strukturen besteht, den olfaktorischen Glomeruli. Hier sind unterschiedliche Gruppen von Geruchsnerven miteinander verschaltet, sodass verschiedene Umgebungsdüfte verarbeitet werden können.

Wissenschaftler waren bislang davon ausgegangen, dass die olfaktorischen Glomeruli in ihrer Struktur recht einheitlich aufgebaut sind und dass ihre besonderen Funktionsweisen in erster Linie auf spezielle Duftrezeptoren zurückzuführen sind, mit denen die Riechzellen ausgestattet sind. Ein Forschungsteam aus der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie konnte nun erstmalig zeigen, dass die neuronale Zusammensetzung jedes Glomerulus einzigartig und spezifisch ist. „Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, dass jede dieser Einheiten des Riechhirns ein anderes Verarbeitungsprofil von Düften aufweist. Diese verschiedenen Düfte wiederum wirken sich unterschiedlich auf das Verhalten der Essigfliegen aus“, erläutert Silke Sachse, die Leiterin der Studie dieser Ergebnisse.

Das Team untersuchte die neuronale Architektur der olfaktorischen Glomeruli in der Essigfliege Drosophila melanogaster genau und setzte anatomische Unterschiede mit den jeweiligen Funktionen in Beziehung. Die Wissenschaftler markierten verschiedene Nervenzellen in den einzelnen Glomeruli, um sie anatomisch zu beschreiben und zu zählen. Dafür verwendeten sie transgene Drosophila-Linien, die das fotoaktivierbare grün fluoreszierende Protein (PA-GFP) in den Nervenzellen aktivieren, und hochauflösende konfokale Mikroskopie.

„Wie bereits vermutet, aber bisher nicht wissenschaftlich bewiesen, waren Glomeruli, die viele Geruchsnervenzellen enthielten, in der Regel größer als Glomeruli mit weniger Geruchsnervenzellen. Damit kann man bereits aufgrund seiner äußeren Form vorhersagen, ob der Glomerulus besonders empfindlich auf einen bestimmten Duft reagiert“, berichtet Veit Grabe, einer der beiden Erstautoren der Studie. Die Forscher überprüften auch Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Fliegen. So waren Glomeruli, in denen die Sexualpheromone der Essigfliege verarbeitet werden, bei männlichen Fliegen größer, die die weiblichen Lockstoffe aus großen Entfernungen wahrnehmen können. Darüber hinaus zählten die Wissenschaftler Nervenzellen, sogenannte Projektionsneurone, die für die Weiterleitung von Duftreizen in höhere Bereiche des Nervensystems zuständig sind. Glomeruli mit Riechsinneszellen, die hoch spezifisch einen einzelnen Duft weiterleiten, scheinen mehr Projektionsneurone zu besitzen als Glomeruli, die viele Düfte verarbeiten. Durch die größere Anzahl an Projektionsneuronen kann somit die Information schneller und zuverlässiger in höhere Gehirnbereiche gesendet werden, um dort das entsprechende Verhalten schnellstmöglich auszulösen.

Um Anatomie und Funktion eines Glomerulus miteinander zu verknüpften, ermittelte das Team noch einen weiteren Parameter mit Hilfe elektrophysiologischer Untersuchungen. Die „Lifetime Sparseness“ gibt an, wie viele Düfte einen Geruchsrezeptor, aktivieren können. Wird ein Rezeptor beispielsweise von zahlreichen Düften aktiviert, dann besitzt er eine geringe „Sparseness“ und stellt somit einen breiten Rezeptor dar. Und umgekehrt, je höher dieser Wert ist, desto weniger Düfte können von diesem Rezeptor “erkannt“ werden. Im Extremfall handelt es sich um einen sehr spezifischen Rezeptor, der nur auf einen einzigen Duft reagiert. Für Essigfliegen wichtige attraktive Düfte sind neben Pheromonen auch Düfte, die Hinweise auf Nahrungsquellen, wie zum Beispiel überreife Früchte, geben. Manche dieser Düfte lösen bei Fliegenweibchen die Eiablage aus, da sie auf einen Ort hinweisen, an dem die Fliegenlarven, die aus den Eiern schlüpfen, gut überleben können. Es gibt aber auch abschreckende Düfte, die vor tödlicher Gefahr, z.B. durch Gifte oder Parasiten, warnen.

„Mit der vollständigen quantitativen Kartierung der Geruchsnervenzellen, die in jedem olfaktorischen Glomerulus miteinander verschaltet sind, konnten wir eine erweiterte morphologische Basis schaffen, um diese Einheiten des olfaktorischen Systems im Zusammenhang mit ihrer funktionellen Einordnung besser zu verknüpfen“, fasst Ko-Autorin Amelie Baschwitz die Studie zusammen.

Diese neuen Erkenntnisse sind vermutlich nicht auf die Essigfliege begrenzt, sondern gelten wahrscheinlich auch für andere Tiere, eventuell auch für den Menschen, und haben damit weitreichende Bedeutung.

Originalveröffentlichung

Grabe, V., Baschwitz, A., Dweck, H. K. M., Lavista-Llanos, S., Hansson, B., Sachse, S.; "Elucidating the neuronal architecture of olfactory glomeruli in the Drosophila antennal lobe"; Cell Reports; 2016

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