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Mathematiker enträtseln Geruchssinn

Man könne den Geruchssinn als komplexesten aller chemischen Sinne bezeichnen, sagt Rainer Friedrich vom Friedrich Miescher Institut für biomedizinische Forschung in Basel. Bereits bei unserer Geburt ist er vollständig ausgereift und entwickelt sich im Laufe des Lebens immer weiter. Dieses Phänomen bezeichnen die Experten als Dekorrelation. Sie ist ein wichtiger Bestandteil des Riechprozesses. Jetzt ist ein interdisziplinäres Forscherteam aus Mathematikern und Neurobiologen der Dekorrelation auf die Spur gekommen – und zwar mit Hilfe von Mathematik.

Wenn wir an etwas schnuppern, empfangen Duftrezeptoren den Geruchsreiz in der Nase. Der Mensch besitzt nur etwa 350 verschiedene Duftrezeptoren, aber wir können trotzdem weit mehr als 350 Gerüche unterscheiden. Wie aber funktioniert das? Die Rezeptoren in der Nase reagieren jeweils auf einzelne Duftstoffe. Nicht aber die Information eines einzelnen Rezeptors wird im Gehirn als ein bestimmter Duft erkannt: Vielmehr ergeben die Informationen aller Rezeptoren ein Muster, das den Duft verschlüsselt.

Ein neuer Geruch ruft im Gehirn immer ein Muster hervor. Doch selbst, wenn sich Gerüche voneinander unterscheiden, kann es sein, dass das neue Muster einem bereits bekannten Muster stark ähnelt. Einer Testperson, bei der dieses Phänomen auftritt, würde es zunächst schwerfallen, jene beiden Gerüche auseinanderzuhalten. In diesem Fall kommt es zur Dekorrelation: Die beiden ähnlichen Muster werden in gegenseitiger Abhängigkeit verändert und voneinander abgegrenzt. Am Ende dieses Prozesses kann das Gehirn auf zwei besser unterscheidbare Muster zurückgreifen – und die Testperson kann die beiden Gerüche klar zuordnen.

Bisher war nicht bekannt, wieso in neuronalen Netzen die Dekorrelation auftritt. Martin Wiechert, ein Mathematiker aus dem Team um Friedrich, hat jetzt mathematisch bewiesen, dass Dekorrelation eine natürliche Eigenschaft bestimmter neuronaler Netze ist. Dabei werden schwächere Signale ausgeblendet und stärkere betont.

Mit Hilfe der mathematischen Modelle haben die Forscher den Zusammenhang jetzt aufgeklärt. Ihre Erkenntnisse waren verblüffend: Je geringer der Grad der Vernetzung der Riechzellen, desto stärker war die Korrelation.

In der zweiten Etappe der Studie konnten die Forscher die mathematischen Ergebnisse experimentell bestätigen. Dazu entwickelten sie künstliche neuronale Netze, die an die neuronale Struktur des Zebrafischs angelehnt waren. Anschließend verglichen die Wissenschaftler ihre Simulationsdaten mit empirischen Daten des Zebrafischs – und stellten große Ähnlichkeiten fest.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Spiegel.de.

jb