Forscher entdecken gemeinsame Geruchsmechanismen bei Mäusen und Menschen

Stellen Sie sich eine Maus vor, die schnell und stakkatoartig an einem Krümel schnüffelt, den sie auf der Nahrungssuche gefunden hat. Vergleichen Sie das nun mit einem Menschen, der sich zu einem einzigen, tiefen Atemzug vorbeugt, um festzustellen, ob eine Melone reif ist.

Neue Forschungen der Northwestern University haben ergeben, dass Mäuse ebenso wie Menschen einen einzigen Schnüffelvorgang nutzen können, um gezielt ihre Umgebung zu erforschen – etwas, was Wissenschaftler bisher nicht wussten.

Zwei neue ergänzende Studien der Northwestern University, die gemeinsam am 3. Juli veröffentlicht werden Wissenschaftliche Fortschritteuntersuchten den Geruchssinn von entgegengesetzten Enden aus und fanden heraus, dass Nagetiere und Menschen bei der Verarbeitung von Gerüchen auf die gleiche zugrunde liegende Neurophysiologie angewiesen sind – die motorischen und rhythmischen Bausteine ​​des Gehirns. Obwohl der einzelne Schnüffelvorgang einer Maus viel kürzer ist als der eines Menschen, ist die zugrunde liegende Geschwindigkeit der Geruchsverarbeitung den Ergebnissen zufolge gleich. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Sinnessysteme grundsätzlich ähnlich sind und durch die Evolution erhalten geblieben sind.

Zusammengenommen legen die Ergebnisse der beiden Labore etwas Wichtiges nahe: Alle Säugetiere stützen sich auf ein ähnliches zugrunde liegendes Geruchssystem, wobei jede Art dem gleichen Grunddesign ihre eigene Note verleiht. Die Arbeit beantwortet eine grundlegende Frage: Wie erfassen Mäuse und Menschen unsere Umwelt, damit wir sie verstehen und vorhersagen können, was wir als nächstes tun wollen?

„Die wahre Ähnlichkeit ist dieses einzelne Schnüffeln, aber es ist nicht nur ein Schnüffeln“, sagte der korrespondierende Autor John M. Barrett, wissenschaftlicher Assistenzprofessor für Neurowissenschaften an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University. „Mäuse bewegen beim Schnüffeln sogar ihre Hände, was zeigt, dass es gewollt ist – sie tun es mit Absicht.“

Was sind die Auswirkungen für den Menschen?

Verhaltensänderungen beim Schnüffeln hängen mit Erkrankungen wie Autismus sowie Alzheimer und Parkinson zusammen. Daher könnte das Verständnis der grundlegenden Verkabelung des Geruchssystems zu einer früheren Erkennung oder besseren Behandlungen beitragen, sagten die Studienautoren.

Das Wissen, dass wir über diese evolutionär konservierten Mechanismen verfügen, hilft uns zu verstehen, wie die Gehirne von Säugetieren funktionieren, was uns letztendlich helfen könnte, zu verstehen, warum sie in der Pathologie versagen. Es hilft uns zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, sodass wir wissen, wie wir es reparieren können, wenn es nicht funktioniert.“

Andrew Sheriff, Erstautor

Eine Geschichte von zwei Papieren

In einer Studie wurde festgestellt, dass Mäuse ihre Nahrung anhand einzelner Schnüffelgeräusche untersuchten, die auffallend menschenähnlich aussahen. Die anderen gefundenen Menschen organisieren Geruchsinformationen mit hoher Geschwindigkeit innerhalb eines einzigen Schnüffels, in einer Form der olfaktorischen Gehirnverarbeitung, die bemerkenswert an Nagetiere erinnert. Zusammengenommen deuten diese getrennten, aber sich ergänzenden Studien darauf hin, dass es gemeinsame, grundlegende biologische Regeln für die Funktionsweise der Geruchssinne dieser beiden Säugetiere gibt und dass diese durch die Evolution erhalten geblieben sind.

Erste Studie: Mäuse können wie Menschen schnüffeln

Der erste Artikel begann mit einer einfachen Beobachtung: Wenn Mäuse mit Nahrung umgehen, halten sie diese gelegentlich kurz an ihre Nase, bevor sie weiter fressen.

Die Studie wurde im Labor von Gordon MG Shepherd in der Abteilung für Neurowissenschaften der Feinberg School of Medicine der Northwestern University zusammen mit Kollegen vor Ort sowie an der University of Pennsylvania und dem University of Florida College of Medicine durchgeführt.

Das Team baute ein robotergestütztes Multikamera-Aufzeichnungssystem, um Mäusen bei der Nahrungssuche und Nahrungsaufnahme zu folgen. Unter der Leitung von Mang Gao und Barrett vom Shepherd-Labor verfolgten die Wissenschaftler mit hoher Auflösung die Hand- und Kopfbewegungen der Mäuse und verfolgten gleichzeitig ihre Atmung.

Die Mäuse stimmten einen einzelnen Schnüffel genau auf den Zeitpunkt ab, an dem das Futter ihre Nase erreichte, und koordinierten dabei präzise ihre Hände, ihren Kopf und ihre Atmung. Im Gegensatz zu dem ständigen Schnüffeln, das sie bei der Nahrungssuche einsetzen, geschieht dieses Verhalten schnell und absichtlich, ähnlich wie wenn ein Mensch Nahrung an die Nase hält, um vorsichtig daran zu riechen, bevor er einen Bissen nimmt.

Die Studie ergab, dass die Mäuse beim Umgang mit unappetitlichem Futter heftiger schnüffelten, aber es war nicht nur das Vorhandensein von Gerüchen, die das Verhalten auslösten. Als die Wissenschaftler den Geruchssinn der Mäuse störten, schnüffelten sie weiterhin wie gewohnt an Futter. Was das Verhalten letztendlich stoppte, war die Stilllegung des motorischen Kortex – der Region des Gehirns, die mit bewussten, absichtlichen Bewegungen verbunden ist.

„Das bedeutet, dass Mäuse, wenn sie Futter schnüffeln, dies nicht als reflexartige Reaktion auf einen Geruch tun, sondern eher als proaktiven Akt bewusster Sinneswahrnehmung“, sagte Gao, ein Postdoktorand im Shepherd-Labor. „Es stellte sich heraus, dass die Mäuse diese schnellen ‚Geruchsprüfungen‘ durchführen, die für viele menschliche Geruchsverhaltensweisen charakteristisch sind, anstatt passiv zum Schnüffeln angeregt zu werden.“

Dies ist die erste Studie, die dieses absichtliche, nichtreflexive Schnüffelverhalten bei Nagetieren in einer realen Umgebung dokumentiert.

Zweite Studie: Menschen können Gerüche wie Mäuse verarbeiten

Die zweite Studie aus dem Labor von Christina Zelano in der Abteilung für Neurologie bei Feinberg in Zusammenarbeit mit Dr. Bruce Tan in der Abteilung für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde bei Feinberg versuchte zu beantworten, wie Menschen mit einem einzigen, langsamen Schnüffeln die gleiche Wahrnehmungspräzision wie Nagetiere erreichen können.

„Wir wollten verstehen, wie wir Gerüche genauso schnell identifizieren können wie Nagetiere, obwohl wir mehr als zehnmal langsamer schnüffeln“, sagte Sheriff, ein Postdoktorand in Zelanos Labor. „Durch die direkte Aufnahme aus dem menschlichen Riechkolben mit einer neuartigen Technik konnten wir Rhythmen der Geruchsverarbeitung finden, die denen von Nagetieren sehr ähnlich sind, was auf konservierte Zeitfenster für den Geruchssinn bei allen Arten schließen lässt.“

Das Team nutzte eine minimalinvasive, hochpräzise Methode, die im Zelano-Labor entwickelt wurde, um das Schnüffeln im Gehirn gesunder Freiwilliger aufzuzeichnen. Wenn die Teilnehmer eine einzige absichtliche Inhalation einatmeten, löste dies im menschlichen Riechkolben niederfrequente Gehirnwellen aus, die Theta-Oszillationen (2–8 Hz) genannt werden, und zwar mit genau den gleichen Frequenzen, bei denen Nagetiere schnüffeln. Dieser langsame Gehirnrhythmus hilft dabei, schnellere Aktivitätsausbrüche zu organisieren, die auftreten, wenn das Gehirn tatsächlich einen Geruch verarbeitet, so die Studie. Dies bedeutet, dass das menschliche Gehirn den Theta-Rhythmus aus einem einzigen Schnüffeln erzeugen und ihn auf die gleiche Weise nutzen kann, wie Nagetiere ihren Schnüffelzyklus nutzen.

„Die Implikationen unserer Ergebnisse sind erheblich“, sagte Co-Autor Qiaohan Yang, ein Doktorand der Interdepartementalen Neurowissenschaften der Northwestern University. „Bei Nagetieren sind Schnüffeln und Theta so eng miteinander verbunden, dass die beiden kaum zu unterscheiden sind. Beim Menschen werden sie durch die langsamere Schnüffelfrequenz auseinandergezogen und offenbaren die Theta-Oszillation als einen deutlichen, unabhängig erzeugten Rhythmus, den ein einziges bewusstes Einatmen ausreicht, um zu aktivieren.“

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