Dieser Teil des Gehirns empfängt Geruchsempfindungen. Als neuronaler Schaltkreis hat der Riechkolben eine Quelle für sensorischen Input (Axone von Riechrezeptorneuronen des Riechepithels) und einen Output (Axone der Mitralzellen). Daher wird allgemein angenommen, dass es als Filter funktioniert, im Gegensatz zu einem assoziativen Schaltkreis, der viele Eingänge und viele Ausgänge hat. Der Riechkolben empfängt jedoch auch „Top-down“-Informationen aus Hirnarealen wie der Amygdala, dem Neokortex, dem Hippocampus, dem Locus coeruleus und der Substantia nigra.Seine potenziellen Funktionen können in vier nicht-exklusive Kategorien eingeteilt werden:
- Unterscheidung zwischen Gerüchen
- Erhöhung der Empfindlichkeit der Geruchserkennung
- Ausfiltern vieler Hintergrundgerüche, um die Übertragung einiger weniger ausgewählter Gerüche zu verbessern
- Erlauben höheren Hirnarealen, die an Erregung und Aufmerksamkeit beteiligt sind, die Erkennung oder Unterscheidung von Gerüchen zu modifizieren.
Während alle diese Funktionen theoretisch aus dem Schaltkreis-Layout des Riechkolbens entstehen könnten, ist es unklar, welche dieser Funktionen, wenn überhaupt, ausschließlich vom Riechkolben ausgeführt werden. In Analogie zu ähnlichen Teilen des Gehirns, wie z.B. der Netzhaut, haben sich viele Forscher darauf konzentriert, wie der Riechkolben die von den Rezeptorneuronen eingehenden Informationen räumlich filtert oder wie er die eingehenden Informationen zeitlich filtert. Das Herzstück dieser vorgeschlagenen Filter sind die beiden Klassen von Interneuronen, die periglomerulären Zellen und die Körnerzellen. Die Verarbeitung findet auf jeder Ebene des Riechkolbens statt, beginnend mit den räumlichen Karten, die Gerüche in der Glomerulaschicht kategorisieren.
Interneurone in der äußeren plexiformen Schicht reagieren auf präsynaptische Aktionspotentiale und zeigen sowohl erregende postsynaptische Potentiale als auch hemmende postsynaptische Potentiale. Das neuronale Feuern variiert zeitlich, es gibt Perioden mit schnellem, spontanem Feuern und langsamer Modulation des Feuerns. Diese Muster können mit dem Schnüffeln oder der Veränderung der Intensität und Konzentration des Geruchsstoffes zusammenhängen. Zeitliche Muster können Auswirkungen auf die spätere Verarbeitung der räumlichen Wahrnehmung des Geruchsstoffes haben. Zum Beispiel scheinen synchronisierte Spike Trains der Mitralzellen zu helfen, ähnliche Gerüche besser zu unterscheiden, als wenn diese Spike Trains nicht synchronisiert sind. Eine Zerstörung des Riechkolbens führt zu ipsilateraler Anosmie, während eine irritative Läsion des Uncus zu olfaktorischen und gustatorischen Halluzinationen führen kann.
Laterale Hemmung
Externe plexiforme Schicht
Die Interneuronen in der externen plexiformen Schicht führen eine Rückkopplungshemmung auf die Mitralzellen durch, um die Rückübertragung zu kontrollieren. Sie sind auch an der lateralen Inhibition der Mitralzellen beteiligt. Diese Hemmung ist ein wichtiger Teil des Geruchsinns, da sie bei der Geruchsdiskriminierung hilft, indem sie das Feuern als Reaktion auf Hintergrundgerüche verringert und die Antworten der Geruchsnerveneingänge in der Mitralzellschicht differenziert. Die Hemmung der Mitralzellschicht durch die anderen Schichten trägt zur Geruchsdiskriminierung und zur Verarbeitung auf höherer Ebene bei, indem der Output des Riechkolbens moduliert wird. Diese Hyperpolarisationen während der Geruchsstimulation formen die Antworten der Mitralzellen, um sie spezifischer für einen Geruch zu machen.
Es fehlen Informationen über die Funktion der internen plexiformen Schicht, die zwischen der Mitralzellschicht und der Körnerzellschicht liegt.
Körnerzellschicht
Die basalen Dendriten der Mitralzellen sind mit Interneuronen verbunden, die als Körnerzellen bekannt sind und nach einigen Theorien eine laterale Hemmung zwischen Mitralzellen bewirken. Die Synapse zwischen Mitral- und Körnerzellen gehört zu einer seltenen Klasse von Synapsen, die „dendro-dendritisch“ sind, was bedeutet, dass beide Seiten der Synapse Dendriten sind, die Neurotransmitter freisetzen. In diesem speziellen Fall setzen die Mitralzellen den exzitatorischen Neurotransmitter Glutamat und die Körnerzellen den inhibitorischen Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) frei. Aufgrund ihrer Bidirektionalität kann die dendro-dendritische Synapse bewirken, dass die Körnerzellen sich selbst hemmen (Autoinhibition), aber auch benachbarte Körnerzellen (laterale Inhibition). Genauer gesagt empfängt die Körnerzellschicht erregende Glutamatsignale von den basalen Dendriten der Mitral- und Büschelzellen. Die Körnerzelle setzt ihrerseits GABA frei, um eine hemmende Wirkung auf die Mitralzelle zu bewirken. Von der aktivierten Mitralzelle wird mehr Neurotransmitter an den angeschlossenen Dendriten der Körnerzelle freigesetzt, so dass die hemmende Wirkung von der Körnerzelle auf die aktivierte Mitralzelle stärker ist als auf die umliegenden Mitralzellen. Es ist nicht klar, was die funktionelle Rolle der lateralen Hemmung ist, obwohl sie möglicherweise das Signal-Rausch-Verhältnis von Geruchssignalen erhöht, indem sie die basale Feuerungsrate der umgebenden nicht aktivierten Neuronen zum Schweigen bringt. Dies wiederum hilft bei der Geruchsunterscheidung. Andere Forschungen deuten darauf hin, dass die laterale Hemmung zu differenzierten Geruchsreaktionen beiträgt, was die Verarbeitung und Wahrnehmung unterschiedlicher Gerüche unterstützt. Es gibt auch Hinweise auf cholinerge Effekte auf die Körnerzellen, die die Depolarisation der Körnerzellen verstärken, wodurch diese erregbarer werden, was wiederum die Hemmung der Mitralzellen erhöht. Dies könnte zu einem spezifischeren Output des Riechkolbens beitragen, der der glomerulären Geruchskarte näher kommt.Das Riechen unterscheidet sich von den anderen sensorischen Systemen, bei denen periphere sensorische Rezeptoren ein Relais im Zwischenhirn haben. Daher spielt der Riechkolben diese Rolle für das olfaktorische System.
Accessorischer Riechkolben
Der akzessorische Riechkolben (AOB), der sich in der dorsal-posterioren Region des Hauptriechkolbens befindet, bildet eine vom Hauptriechkolben unabhängige Parallelbahn. Das Vomeronasalorgan sendet Projektionen an den akzessorischen Riechkolben und bildet damit die zweite Verarbeitungsstufe des akzessorischen Geruchssystems. Wie im Hauptgeruchsbulbus bildet der axonale Input zum akzessorischen Riechkolben Synapsen mit Mitralzellen innerhalb der Glomeruli. Der akzessorische Riechkolben erhält axonalen Input vom Vomeronasalorgan, einem vom Hauptriechepithel getrennten sensorischen Epithel, das chemische Reize erkennt, die für das Sozial- und Fortpflanzungsverhalten relevant sind, aber wahrscheinlich auch allgemeine Geruchsstoffe. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass das olfaktorische Hauptepithel zuerst den entsprechenden Geruch erkennen muss, damit die vomerasale Pumpe eingeschaltet werden kann. Die Möglichkeit, dass das vomeronasale System parallel oder unabhängig von den generischen Geruchseingängen arbeitet, ist jedoch noch nicht ausgeschlossen.
Vomeronasale sensorische Neuronen liefern direkte erregende Eingänge zu AOB-Prinzipneuronen, die Mitralzellen genannt werden. Diese werden an die Amygdala und den Hypothalamus weitergeleitet und sind daher direkt an der Sexualhormonaktivität beteiligt und können Aggressivität und Paarungsverhalten beeinflussen. Die Axone der vomeronasalen sensorischen Neuronen exprimieren einen bestimmten Rezeptortyp, der, anders als im Hauptriechkolben, zwischen 6 und 30 AOB-Glomeruli divergiert. Die dendritischen Endigungen der Mitralzellen durchlaufen eine dramatische Periode des Targetings und Clustering kurz nach der präsynaptischen Vereinigung der sensorischen Neuronenaxone. Die Konnektivität der vomernasalen sensorischen Neuronen zu den Mitralzellen ist präzise, wobei die Mitralzelldendriten auf die Glomeruli zielen. Es gibt Hinweise auf das Vorhandensein eines funktionellen akzessorischen Riechkolbens beim Menschen und anderen höheren Primaten.
Der AOB ist in zwei Hauptunterregionen unterteilt, anterior und posterior, die getrennte synaptische Eingänge von zwei Hauptkategorien von vomeronasalen sensorischen Neuronen, V1R bzw. V2R, erhalten. Dies scheint eine klare funktionelle Spezialisierung zu sein, wenn man die unterschiedliche Rolle der beiden Populationen sensorischer Neuronen bei der Erkennung chemischer Reize unterschiedlichen Typs und Molekulargewichts bedenkt. Allerdings scheint sie nicht zentral beibehalten zu werden, wo die Projektionen der Mitralzellen von beiden Seiten des AOB zusammenlaufen. Ein deutlicher Unterschied der AOB-Schaltung im Vergleich zum Rest des Bulbus ist die heterogene Konnektivität zwischen Mitralzellen und vomeronasalen sensorischen Afferenzen innerhalb der Neuropil-Glomeruli. Die Mitralzellen des AOB kontaktieren in der Tat über apikale dendritische Prozesse Glomeruli, die von Afferenzen verschiedener Rezeptorneurone gebildet werden, und brechen damit die Ein-Rezeptor-ein-Neuron-Regel, die im Allgemeinen für das olfaktorische Hauptsystem gilt. Dies impliziert, dass Reize, die über das VNO wahrgenommen und im AOB verarbeitet werden, einer anderen und wahrscheinlich komplexeren Verarbeitungsebene unterworfen sind. Dementsprechend zeigen die Mitralzellen des AOB im Vergleich zu anderen bulbären Projektionsneuronen deutlich andere Feuerungsmuster. Zusätzlich beeinflusst der Top-Down-Input in den Riechkolben die olfaktorischen Outputs unterschiedlich.
Weiterverarbeitung
Der Riechkolben sendet olfaktorische Informationen zur Weiterverarbeitung in die Amygdala, den orbitofrontalen Cortex (OFC) und den Hippocampus, wo sie eine Rolle bei Emotionen, Gedächtnis und Lernen spielen. Der Hauptriechkolben ist über den piriformen Kortex des primären olfaktorischen Kortex mit der Amygdala verbunden und projiziert direkt vom Hauptriechkolben zu bestimmten Amygdala-Arealen. Die Amygdala leitet Geruchsinformationen an den Hippocampus weiter. Der orbitofrontale Kortex, die Amygdala, der Hippocampus, der Thalamus und der Riechkolben haben viele Verbindungen, die direkt und indirekt über die Kortexe des primären olfaktorischen Kortex laufen. Diese Verbindungen sind ein Hinweis auf die Assoziation zwischen dem Riechkolben und höheren Bereichen der Verarbeitung, insbesondere denen, die mit Emotionen und Gedächtnis zu tun haben.
AmygdalaEdit
Assoziatives Lernen zwischen Gerüchen und Verhaltensreaktionen findet in der Amygdala statt. Die Gerüche dienen als Verstärker oder Bestrafer während des assoziativen Lernprozesses; Gerüche, die bei positiven Zuständen auftreten, verstärken das Verhalten, das zu dem positiven Zustand führte, während Gerüche, die bei negativen Zuständen auftreten, das Gegenteil bewirken. Geruchshinweise werden von Neuronen in der Amygdala mit dem Verhaltenseffekt oder der Emotion, die sie hervorrufen, kodiert. Auf diese Weise reflektieren Gerüche bestimmte Emotionen oder physiologische Zustände. Gerüche werden mit angenehmen und unangenehmen Reaktionen assoziiert, und schließlich wird der Geruch zu einem Hinweis und kann eine emotionale Reaktion auslösen. Diese Geruchsassoziationen tragen zu emotionalen Zuständen wie z. B. Angst bei. Die Bildgebung des Gehirns zeigt, dass die Aktivierung der Amygdala mit angenehmen und unangenehmen Gerüchen korreliert, was die Assoziation zwischen Gerüchen und Emotionen widerspiegelt.
HippocampusEdit
Der Hippocampus ist auch am Geruchsgedächtnis und am Lernen beteiligt. Im Hippocampus laufen mehrere Geruchsgedächtnisprozesse ab. Ähnlich dem Prozess in der Amygdala wird ein Geruch mit einer bestimmten Belohnung assoziiert, z. B. der Geruch von Nahrung mit dem Erhalt von Nahrung. Der Geruch im Hippocampus trägt auch zur Bildung des episodischen Gedächtnisses bei, also der Erinnerung an Ereignisse an einem bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Zeit. Der Zeitpunkt, zu dem bestimmte Neuronen im Hippocampus feuern, wird von den Neuronen mit einem Stimulus wie einem Geruch assoziiert. Die Präsentation des Geruchs zu einem anderen Zeitpunkt kann den Abruf der Erinnerung bewirken, daher hilft der Geruch beim Abruf von episodischen Erinnerungen.
Olfaktorische Kodierung in HabenulaEdit
Bei niederen Wirbeltieren (Neunaugen und Teleostfische) projizieren die Axone der Mitralzellen (Hauptgeruchsneuronen) ausschließlich in die rechte Hemisphäre der Habenula auf asymmetrische Weise. Es wird berichtet, dass die dorsalen Habenula (Hb) funktionell asymmetrisch sind, mit vorherrschenden Geruchsreaktionen in der rechten Hemisphäre. Es wurde auch gezeigt, dass die Hb-Neuronen auch in Abwesenheit von Geruchsstimulation spontan aktiv sind. Diese spontan aktiven Hb-Neuronen sind in funktionellen Clustern organisiert, von denen angenommen wurde, dass sie die Geruchsreaktionen steuern. (Jetti, SK. et al. 2014, Current Biology)
Depressionsmodelle
Weitere Belege für die Verbindung zwischen dem Riechkolben und Emotionen und Gedächtnis werden durch tierische Depressionsmodelle gezeigt. Die Entfernung des Riechkolbens bei Ratten führt tatsächlich zu strukturellen Veränderungen in der Amygdala und dem Hippocampus sowie zu Verhaltensänderungen, die denen eines Menschen mit Depression ähneln. Forscher verwenden Ratten mit Riechkolbenentfernungen zur Erforschung von Antidepressiva. Die Forschung hat gezeigt, dass die Entfernung des Bulbus olfactorius bei Ratten zu einer Reorganisation der Dendriten, einem gestörten Zellwachstum im Hippocampus und einer verminderten Neuroplastizität im Hippocampus führt. Diese Veränderungen im Hippocampus aufgrund der Entfernung des Riechkolbens sind mit Verhaltensänderungen verbunden, die für Depressionen charakteristisch sind, was die Korrelation zwischen dem Riechkolben und Emotionen zeigt. Der Hippocampus und die Amygdala beeinflussen die Geruchswahrnehmung. Während bestimmter physiologischer Zustände, wie z.B. Hunger, kann ein Essensgeruch angenehmer und belohnender erscheinen, da die Amygdala und der Hippocampus den Essensgeruchsreiz mit der Belohnung des Essens assoziieren.
Obitofrontaler CortexEdit
Die Geruchsinformation wird an den primären olfaktorischen Cortex gesendet, von wo aus Projektionen an den orbitofrontalen Cortex gesendet werden. Der OFC trägt zu dieser Geruchs-Belohnungs-Assoziation bei, da er den Wert einer Belohnung, d.h. den Nährwert eines Nahrungsmittels, beurteilt. Der OFC erhält Projektionen aus dem piriformen Kortex, der Amygdala und dem parahippocampalen Kortex. Neuronen im OFC, die Informationen zur Nahrungsmittelbelohnung kodieren, aktivieren das Belohnungssystem, wenn sie stimuliert werden, und assoziieren den Akt des Essens mit einer Belohnung. Der OFC projiziert weiter in den anterioren cingulären Kortex, wo er eine Rolle beim Appetit spielt. Der OFC assoziiert auch Gerüche mit anderen Reizen, wie z. B. dem Geschmack. An der Geruchswahrnehmung und -unterscheidung ist auch der OFC beteiligt. Die räumliche Geruchskarte in der Glomerulischicht des Riechkolbens kann zu diesen Funktionen beitragen. Die Geruchskarte beginnt die Verarbeitung von Geruchsinformationen, indem sie die Glomeruli räumlich organisiert.
Adult neurogenesisEdit
Der Riechkolben ist, zusammen mit der subventrikulären Zone und der subgranulären Zone des Gyrus dentatus des Hippocampus, eine von nur drei Strukturen im Gehirn, die bei erwachsenen Säugetieren eine kontinuierliche Neurogenese aufweisen. Bei den meisten Säugetieren werden neue Neuronen aus neuralen Stammzellen in der subventrikulären Zone geboren und wandern rostral in Richtung des Haupt- und des akzessorischen Riechkolbens. Innerhalb des Riechkolbens entwickeln sich diese unreifen Neuroblasten zu voll funktionsfähigen Körnerzellinterneuronen und periglomerulären Zellinterneuronen, die in der Körnerzellschicht bzw. glomerulären Schicht angesiedelt sind. Die Axone des olfaktorischen sensorischen Neurons, die Synapsen in den Glomeruli des Riechkolbens bilden, sind ebenfalls zur Regeneration fähig, nachdem ein olfaktorisches sensorisches Neuron, das im Riechepithel sitzt, nachgewachsen ist. Trotz des dynamischen Umsatzes von sensorischen Axonen und Interneuronen sind die Projektionsneuronen (Mitral- und Büschelneuronen), die mit diesen Axonen Synapsen bilden, nicht strukturell plastisch.
Die Funktion der adulten Neurogenese in dieser Region bleibt Gegenstand von Untersuchungen. Das Überleben von unreifen Neuronen beim Eintritt in den Schaltkreis ist sehr empfindlich für olfaktorische Aktivität und insbesondere für assoziative Lernaufgaben. Dies hat zu der Hypothese geführt, dass neue Neuronen an Lernprozessen beteiligt sind. In Loss-of-function-Experimenten wurde kein definitiver Verhaltenseffekt beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Funktion dieses Prozesses, wenn er überhaupt mit der Geruchsverarbeitung zusammenhängt, subtil sein könnte.