Eine Nase voll Gefühl

Wo Corona-Viren angreifen

Bei einer Infektion mit SARS-CoV-2 gelangen diese Viren zur Riechschleimhaut und behindern dort das Riechvermögen. Etliche Patienten können auch gar nicht mehr riechen. Zunächst vermuteten die Ärzte, dass die Riechsinneszellen infiziert werden. Neurowissenschaftler der Harvard Medical School wollten es genau wissen.

Damit das Virus sein genetisches Material in Zellen einschleusen kann, müssen diese über einen ACE2-Rezeptor auf ihrer Oberfläche sowie über ein bestimmtes Enzym in ihrer Zellmembran verfügen. In den jeweiligen Zellen müssen also jene Boten-RNAs vorhanden sein, die die Bauanleitung für Rezeptor und Enzym bereitstellen.

Doch die Forscher fanden in den Riechzellen und auch in den Nervenzellen des Riechkolbens weder den ACE2-Rezeptor noch das Enzym. Fündig wurden sie dagegen in den Stützzellen und Basalzellen der Riechschleimhaut und in Zellen, die auf der Blutgefäßwand im zum Riechhirn gehörenden Riechkolben liegen. Diese sogenannten Perizyten regulieren den Blutfluss und sind Teil der Blut-Hirn-Schranke. In Gewebeproben der Riechschleimhaut kommt der ACE2- Rezeptor rund 700-mal so häufig vor wie in Gewebeproben aus anderen Körperregionen. Die Nase ist demnach eine wichtige Eintrittspforte für das Virus. Und das könnte bedeuten, dass eine Corona-Infektion mit antiviralen Medikamenten behandelbar ist, die als Nasenspray direkt in die Nase gesprüht werden.

Was die frühzeitige Riechstörung anbelangt, vermuten die Forscher, dass die Stützzellen wegen entzündlicher Prozesse ihre Pflege-Aufgaben für die Riechzellen nicht mehr ausreichend erfüllen können. Dadurch und weil die von der Immunabwehr verursachten entzündlichen Prozesse auf die Riechzellen übergreifen können, werden auch die Riechzellen und insbesondere ihre Härchen mit den Geruchsrezeptoren geschädigt. Das Riechepithel von Corona-Patienten verdünnt sich virusbedingt. Die Riechzellen erneuern sich normalerweise alle 30 Tage. Hummel vermutet, dass dieser Prozess bei Covid-19 verlangsamt ist, wenn sich die geschädigten Basalzellen langsamer teilen. Außerdem verschlechtert sich die Versorgung der Riechzellen. Manchmal entzünden sich ihre Nervenfortsätze, die durch das gelochte knöcherne Dach der Nase zum darüberliegenden Riechkolben verlaufen. Vermutlich ist dies die Folge einer Abwehrreaktion gegen das Richtung Riechkolben wandernde Virus.

Autopsien haben jedoch gezeigt, dass der Riechkolben als vorgelagerter Teil des Gehirns nicht betroffen ist. Möglicherweise wird er von Immunzellen des Zentralen Nervensystems vor Eindringlingen geschützt, um zu verhindern, dass Viren ins Gehirn gelangen. Allerdings scheint es Ausnahmen zu geben. Neue Studien-ergebnisse weisen darauf hin, dass das Virus auch den Riechkolben und möglicherweise sogar zentrale Gehirnbereiche befallen kann, die an der Geruchswahrnehmung beteiligt sind. Ein von italienischen Forschern erstelltes Magnetresonanz-Bild vom Gehirn einer Covid-19-Patientin mit Verlust des Riechvermögens (Abbildung oben) zeigt Veränderungen im Riechkolben, die aber nach Abklingen der Geruchsstörung wieder verschwanden.

Solche Veränderungen sind von anderen uns alljährlich heimsuchenden Rhino-, Grippe- und Adeno-Viren sowie eher harmlosen Corona-Erkältungsviren nicht bekannt, obgleich auch sie das Riechvermögen vorübergehend beeinträchtigen können. Bei ihnen liegt es im Gegensatz zu SARS-CoV-2 hauptsächlich daran, dass die Nase verstopft ist, weil vermehrt Nasenschleim gebildet wird, der weniger Geruchsmoleküle zu den Rezeptoren durchlässt. „Gewebeuntersuchungen zeigen zudem, dass nach einem Infekt – insbesondere mit Influenza-Viren – das Riechepithel verändert ist. Es sind weniger Geruchsrezeptoren vorhanden, und auch die Zahl der Riechzellen ist verringert“, so Hummel.

Riechstörungen wie Anosmie (Fehlen oder Verlust des Geruchssinns) und Hyposmie (Beeinträchtigung des Geruchssinns) sind übrigens auch ohne SARS-CoV-2 und andere geruchsrelevante Viren keine Seltenheit. Etwa fünf Prozent der Bevölkerung leiden darunter. Zunächst verschlechtert sich das Riechvermögen als Folge des Alterns bei jedem: Im Laufe der Jahre funktioniert die Regeneration der Riechsinneszellen nicht mehr so gut, ihre Zahl nimmt ab. Und es gibt äußere Einflüsse, die das Altern des Riechapparates beschleunigen. Dazu gehört ein langanhaltender allergischer Schnupfen. „Je länger jemand an Heuschnupfen leidet, desto wahrscheinlicher ist es, dass er Riechzellen verliert. Es handelt sich dabei aber nur um eine leichte Form der Hyposmie“, beruhigt Thomas Hummel.

Ein schlechteres Riechvermögen tritt auch als Frühsymptom bei neurologischen Erkrankungen auf, etwa bei Parkinson und Multipler Sklerose sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer. Diabetes, Leber-, Nieren- und Schilddrüsenerkrankungen, Nikotinkonsum sowie manche Medikamente begünstigen ebenfalls, dass Gerüche schlechter wahrgenommen werden. Und es gibt Menschen, die durch Kokain und ätzende Chemikalien, die sie intensiv eingeatmet haben – etwa chlorhaltige Putzmittel – ihr Riechvermögen einbüßen.

Das hat Folgen: Studien haben gezeigt, dass Riechstörungen Einsamkeit und Partnerschaftsprobleme verursachen und Depressionen sowie Angststörungen fördern können.

Jeder hat seine eigene Geruchswelt

Genetisch bedingt nimmt jeder Mensch einen Geruch etwas anders wahr. Bereits kleinste Veränderungen an einem für die Geruchswahrnehmung wichtigen Gen können beeinflussen, wie stark ein Mensch einen Geruch empfindet und ob er ihn mag oder nicht. Während der eine Veilchengeruch als blumig wahrnimmt, ist er für einen anderen säuerlich oder scharf. Es gibt Menschen mit einer Genmutation, die zur Folge hat, dass sie Fischgeruch nur schwach oder gar nicht bemerken, wie isländische Forscher kürzlich herausfanden.

Gerüche können auch Auslöser für Sympathie und Antipathie sein. An dem Spruch „den kann ich nicht riechen“ ist etwas Wahres dran. Auch bei der Partnerwahl spielt der Körpergeruch eine Rolle: Man bevorzugt Menschen, die sich genetisch möglichst stark von einem selbst unterscheiden, wie Studien belegen. Das ist biologisch sinnvoll, denn es erhält die genetische Vielfalt.

Sogar beim Lernen können Gerüche helfen. Wenn Kinder beim Vokabellernen und anschließend nachts einen signifikanten Geruch, etwa Rosenduft, wahrnehmen, können sie sich die Vokabeln um rund 30 Prozent besser merken, wie Forscher der Universität Freiburg festgestellt haben. Nicht zuletzt hat ein gutes Riechvermögen eine Schutzfunktion: Es verhindert Vergiftungen durch verdorbene Lebensmittel, Gas oder Rauch.

Steigen angenehme Düfte in die Nase, können sie Wohlbefinden erzeugen, also Emotionen und Stimmungen positiv beeinflussen. Denn Gerüche wirken im Gehirn auf das limbische System ein, wo Emotionen verarbeitet und gelenkt werden. Diese Erkenntnisse der Riechforschung werden oft im Marketing genutzt, um das Kaufverhalten der Menschen zu beeinflussen. „Künstlicher Brötchenduft in der Bäckerei soll den Kaufwunsch der Menschen erhöhen“, berichtet Riechforscher Hummel. Und manche Neuwagen riechen nach Leder, obgleich nur Plastik eingebaut ist.

Gerüche werden auch eingesetzt, um Langeweile zu vermeiden, beispielsweise am Frankfurter Flughafen auf dem Weg von Terminal A zu Terminal B. Rund 800 Meter sind dort über ein Laufband zurückzulegen. Eine Unterteilung des Tunnels in verschiedene Geruchs-, Farb- und Lautzonen sorgt für Abwechslung und mehr Wohlbefinden. Auch Klaustrophobiker, die in engen geschlossenen Räumen Angstgefühle entwickeln, schaffen es durch diese Maßnahmen leichter, den Tunnel zu durchqueren.

Wie das Riechen funktioniert

Der Mensch hat etwa 400 verschiedene Geruchsrezeptoren, auch als Duftstoffrezeptoren bezeichnet, und genauso viele Riechzelltypen. Das ergibt bei 20 bis 30 Millionen Riechzellen pro Mensch 50.000 bis 75.000 Riechzellen mit demselben Geruchsrezeptor. Diese Rezeptoren befinden sich in der Membran der zierlichen Härchen, die von jeder Riechzelle abgehen und in die Schleimschicht auf der Riechschleimhaut hineinragen. Dort kommen sie in Kontakt mit soeben eingetroffenen gelösten Duftmolekülen. Aber wie viele Gerüche kann ein Mensch wahrnehmen, wenn er nur 400 Typen von Geruchsrezeptoren hat?

Sehr viel mehr, denn die Natur bedient sich der Kombinatorik. Laut einer von Andreas Keller von der New Yorker Rockefeller University im Wissenschaftsmagazin Science publizierten Studie aus dem Jahr 2014 kann der Mensch rund eine Billion verschiedene Düfte unterscheiden. „Die Rezeptoren arbeiten nämlich unscharf, das heißt sie reagieren zugleich auf zahlreiche strukturell beziehungsweise chemisch ähnliche Duftmoleküle“, erklärt die Neurobiologin Silke Sachse vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Komplexe Düfte, eher Normalfall als Ausnahme, aktivieren zudem verschiedene Typen von Geruchsrezeptoren. Jeder Geruch erzeugt dann in der Riechschleimhaut ein bestimmtes Muster von besetzten Geruchsrezeptoren.

Eine neue Erkenntnis: Japanische Forscher von der Kyushu-Universität haben bei Mäusen festgestellt, dass Gerüche die Geruchsrezeptoren nicht nur aktivieren, sondern auch deaktivieren können. Damit ergibt sich eine weitere mögliche Differenzierung. Ob dergleichen auch beim Menschen stattfindet, ist noch ungeklärt.

Wenn Duftmoleküle an die Geruchsrezeptoren andocken, löst dies abhängig von ihrer Konzentration eine Signalkaskade in dieser Riechsinneszelle aus. Dieses elektrische Signal gelangt über die Membran entlang des langen, dünnen Nervenfortsatzes dieser Nervenzelle zum darüberliegenden Riechkolben, einem Teil des Riechhirns. In jedem der beiden Riechkolben enden die Nervenfasern der jeweils zugehörigen Riechschleimhaut in kugelförmigen Gebilden, den Glomeruli, die aussehen wie die Kugeln in einer Lottotrommel. Die Nervenfasern aller Riechsinneszellen eines Typs treffen in demselben Glomerulus zusammen, möglicherweise auch in mehreren Glomeruli.

Es ist ein ausgeklügeltes System: Wenn sich ein Geruch aus mehreren Komponenten zusammensetzt, werden in der Riechschleimhaut auch mehrere Geruchsrezeptor-Typen aktiviert. Die sind wiederum mit ihren eigenen Glomeruli im Riechkolben verdrahtet. So entsteht im Riechkolben für einen Geruch, etwa dem von Vanillekipferln, ein charakteristisches Aktivierungsmuster – eine sensorische Karte. Man könnte auch sagen, es entsteht eine Art Fingerabdruck des Geruchs.

In den Glomeruli passiert aber noch mehr: Es kommt zu einer Umschaltung. Die hier endenden Nervenfasern der Riechzellen übertragen ihre Geruchsinformation auf die Nervenfasern der sogenannten Mitral- und Büschelzellen. Diese Nervenzellen verarbeiten den Input der Riechzellnervenfasern zu elektrischen „Morsecodes“ und leiten die Geruchsinformation weiter in die Riechrinde sowie zu einigen benachbarten Gehirnarealen, die ebenfalls mit der Geruchswahrnehmung zu tun haben.

Wie können wir die feinen Unterschiede zwischen sehr ähnlichen Gerüchen wahrnehmen? Glomeruli mittelstarker Aktivität werden zugunsten jener mit hoher Aktivität unterdrückt. „Es findet also eine Signalhemmung und eine Signalverstärkung statt. Das dient dazu, den Kontrast zwischen ähnlichen Gerüchen zu verschärfen“, erklärt die Neurobiologin Sachse.

Für diese Kontrastschärfung gibt es zwischen den Glomeruli ein neuronales Netzwerk hemmender Zellen. Doch das reicht nicht – auch eine zeitliche Codierung ist erforderlich, wie Thomas Jentsch und Katrin Gödde vom Leibniz-Institut für molekulare Pharmakologie (FMP) und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) gemeinsam mit Forschern der Universität Genf herausgefunden haben. Denn die einzelnen Komponenten eines Geruchs treffen nicht exakt zur selben Zeit im Riechkolben ein und müssen deshalb synchronisiert werden. Hierfür wird die Abfolge der Impulse im „Morsecode“ in den Mitral- und Büschelzellen im Riechkolben sehr fein moduliert. „So ergibt sich für jeden Geruch ein individuelles zeitabhängiges Signalmuster“, sagt Silke Sachse. Dadurch lassen sich auch chemisch sehr ähnliche Duftmoleküle auseinanderhalten.

Wie die Verschaltung im Gehirn im Detail abläuft, ist nicht genau bekannt. Über ein komplexes neuronales Netzwerk gelangen die Geruchsinformationen vom Riechhirn zur Riechrinde und anderen an der Geruchswahrnehmung beteiligten Zentren im Gehirn. Dazu gehören unter anderem das limbische System als Emo-tions- und Gefühlszentrum und die Amygdala – auch Mandelkern genannt –, die für die Angstverarbeitung zuständig ist. Der Geruch wird identifiziert und als anziehend oder abstoßend, als harmlos oder gefährlich klassifiziert.

Jedes Mal, wenn wir einen bestimmten Geruch wahrnehmen, werden die hierzu gespeicherten Emotionen und Erinnerungen aktiviert. Der Hippocampus, eine weitere Hirnstruktur, ist für das Gedächtnis zuständig. Erinnerungen, Emotionen und Bilder werden dort zu den einzelnen Düften gespeichert. Auch der Hypothalamus im Zwischenhirn ist Teil des neuronalen Netzwerkes, das von Gerüchen aktiviert wird. Geruchssignale wirken über ihn auf die Hirnanhangsdrüse ein – und damit auf die Produktion vieler Hormone sowie auf das vegetative Nervensystem. So gibt es Gerüche, die schweißtreibend wirken und andere, die das Wasser im Mund zusammenlaufen lassen.

Ein bestimmter Geruch aktiviert stets dieselben Areale im Gehirn. Und wird dabei entschlüsselt: ein Parfum, ein nasser Hund, Weihnachtsplätzchen oder verbranntes Fleisch. Zugleich werden die hierzu gespeicherten Emotionen und Erinnerungen aktiviert – manchmal mit tiefgreifenden Folgen. Denn Gerüche haben eine starke Macht über die Psyche und das Unterbewusstsein. Thomas Hummel berichtet: „Viele Feuerwehrleute, die nach den Terroranschlägen auf das World Trade Center am 11. September 2001 an den Lösch- und Rettungsarbeiten beteiligt waren, litten hinterher an einem posttraumatischen Belastungssyndrom. Jedes Mal, wenn ihnen später der Geruch von verbranntem Fleisch in die Nase stieg, erwachten die schlimmen Erinnerungen an 9/11.“