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Neuronaler Schaltkreis kreist ums Essen

02.02.2017

Die Suche nach Nahrung ist ein Urinstinkt von Mensch und Tier. Aber was sich dabei genau im Gehirn abspielt, war bislang unbekannt. Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin und dem Exzellenzcluster NeuroCure konnten nun die Wissenslücke schließen: Sie haben einen neuronalen Schaltkreis entdeckt, der die Nahrungssuche aktiviert. Spektakulär daran ist, dass die Aktivierung des Signalwegs unabhängig vom Hunger ist. Der Fund erlaubt ein völlig neues Verständnis von biologischen als auch krankhaften Prozessen. Beispielsweise könnten neue Therapien gegen Essstörungen entwickelt werden. Die Forschungsergebnisse wurden soeben im Fachmagazin „Nature“ publiziert.

Wenn die eigenen Gedanken ums Essen kreisen, obwohl man eigentlich satt ist, ist das ganz normal. Denn Nahrungssuche ist ein angeborener Instinkt. Während das Jagen und Sammeln für unsere Vorfahren überlebenswichtig war, führt uns das evolutionäre Erbe im 21. Jahrhundert an den Kühlschrank oder in den nächsten Supermarkt.


Unsere Gedanken drehen sich immer um Nahrung, auch wenn wir bereits satt sind.

Grafik: Claudia Knorr/FMP

Aus Sicht von Neurowissenschaftlern ist dieser Vorgang hochinteressant, nicht zuletzt weil Störungen in diesem Bereich möglicherweise Essstörungen wie Magersucht erklären können. Doch dafür muss man erst einmal die neuronalen Mechanismen kennen, die der Nahrungssuche zugrunde liegen.

Kommunikation im Hypothalamus erfolgt über blitzschnelle Wellen

Dass rasend schnelle Wellen mit 30 bis 100 Schwingungen pro Sekunde im Gehirn wesentliche kognitive Funktionen wie Gedächtnis, Aufmerksamkeit und geistige Flexibilität unterstützen, war bekannt; nicht aber, ob und wie sie auch an überlebenswichtigem Verhalten wie der Nahrungssuche beteiligt sind. Dr. Tatiana Korotkova and Dr. Alexey Ponomarenko konnten jetzt genau diesen Nachweis erbringen:

Die beiden Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin und dem Exzellenzcluster Neurocure haben jenen neuronalen Schaltkreis entdeckt, der die Nahrungssuche aktiviert, und dabei zeigen können, dass sogenannte Gamma Oszillationen diesen Mechanismus im lateralen Hypothalamus über Eingänge vom lateralen Septum organisieren.

Die blitzschnellen Wellen helfen demnach, Informationen direkt an den Hypothalamus, wo unter anderem das Essverhalten reguliert wird, weiterzuleiten. Den Code, den die Gamma Oszillationen dabei für ihre Kommunikation benutzen, konnten die Forscher ebenfalls knacken.

„Zusammen mit Kollegen aus den USA und Großbritannien konnten wir den Schaltkreis auf verschiedenen Ebenen präzise charakterisieren – von anatomischen Verbindungen bis hin zur Erregung einzelner Zellen“, beschreiben Tatiana Korotkova und Alexey Ponomarenko die Forschungsergebnisse, die nun im angesehenen Fachmagazin „Nature“ erschienen sind.

Optogenetik bringt neuronales Geschehen ans Licht

Dem neuronalen Schaltkreis waren die Forscher mit Hilfe der Optogenetik auf die Spur gekommen, ein Verfahren, das durch Lichteinwirkung die Steuerung spezieller Signalwege im Gehirn erlaubt. In diesem Fall regte das Licht Mäuse an, nach Futterquellen zu suchen, selbst dann, wenn sie gar nicht hungrig waren. „Es war beeindruckend zu sehen, dass Gamma Oszillationen im lateralen Hypothalamus so einen starken Effekt auslösten, wo diese Hirnregion doch bisher hauptsächlich für ihr Ansprechen auf chemische und hormonelle Signale bekannt war“, berichtet die Doktorandin Marta Carus.

Nahrungssuche ist unabhängig vom Hunger

Bemerkenswert auch: Das Auffinden von Futter führte nicht dazu, dass die kleinen Nager mehr fraßen. Das spricht dafür, dass Nahrungssuche und Essverhalten teilweise unabhängige Mechanismen haben, was später in den Experimenten auch bestätigt werden konnte. „Geeignetes Futter zu finden, ist in der freien Natur ein zeitraubendes Unterfangen“, erklärt Korotkova, „deshalb beginnen Tiere schon damit, bevor sie hungrig werden und es vielleicht zu spät sein könnte.“

Auf den Menschen übertragen bedeutet das: „Wahrscheinlich ist es dieser Schaltkreis, der uns veranlasst, die Restaurants in einer fremden Stadt abzuchecken oder immer wieder einen Blick in den Kühlschrank zu werfen“, sagt die Biologin. „Wir wissen jetzt auch, dass der präfrontale Kortex, das ist eine Hirnregion, die zielgerichtetes Verhalten koordiniert, dabei eine wichtige Rolle spielt.“

Die Trennung zwischen Nahrungssuche und Nahrungsaufnahme konnten die Forscher unterdessen auf Zellebene belegen. Während der Gamma-Oszillationen wurden nahrungsassoziierte Zellen getrennt von nicht-nahrungsassoziierten Zellen aktiviert, und zwar mit einem hoch präzisen Timing. „Dass durch die rhythmischen Einwirkungen auf den Hypothalamus nahrungsassoziierte Zellen selektiv beeinflusst wurden, gibt uns einen wunderbaren Einblick, wie Struktur und Funktion im Gehirn interagieren“, betont Grundlagenforscher Alexey Ponomarenko. Er fügt hinzu: „Wir haben gesehen, dass die Gamma Oszillationen durch Informationsübermittlung zwischen Hirnregionen und Zelltypen ein überlebenswichtiges Verhalten steuern.“

Grundlage für neue Therapien gegen Essstörungen gelegt

Besonders interessant für Neurowissenschaftler ist die Erkenntnis, dass die Nahrungssuche von dem physiologischen Bedürfnis nach Nahrung entkoppelt ist. Bei Essstörungen scheint dieser Mechanismus jedoch nicht richtig zu funktionieren. Während die einen über den Hunger hinaus essen, meiden andere jeden Kontakt zur Nahrung. Nach Ansicht der Wissenschaftler wäre es besonders wünschenswert, mit den Forschungsergebnissen Magersüchtigen helfen zu können, da diese Erkrankung die psychische Störung mit der höchsten Sterblichkeitsrate ist.

Das Verständnis der dahinterliegenden neuronalen Mechanismen führt vielleicht nicht zu einem Wundermedikament, kann jedoch laut Tatiana Korotkova und Alexey Ponomarenko den Weg zu innovativen Therapien gegen Essstörungen ebnen.

Quelle:
Carus-Cadavieco M*, Gorbati M*, Ye L, Bender F, van der Veldt S, Kosse C, Börgers C, Lee SY, Ramakrishnan C, Hu Y, Denisova N, Ramm F, Volitaki E, Burdakov D, Deisseroth K, Ponomarenko A*§, Korotkova T*§ (2017). Gamma oscillations organize top-down signaling to hypothalamus and enable food seeking. Nature, doi: 10.1038/nature21066.

*equally contributed authors, §-corresponding authors
This work was supported by The Human Frontier Science Program (HFSP; RGY0076/2012, TK, DB), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; Exc 257 NeuroCure, TK and AP; SPP1665, AP), NIH (the Collaborative Research in Computational Neuroscience, CRCNS; 1R01 NS067199, CB), The German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development (GIF; I-1326-421.13/2015, TK).

Contact:
Dr. Tatiana Korotkova, Dr. Alexey Ponomarenko
AG Behavioural Neurodynamics
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)/
NeuroCure Exzellenzcluster
Charité Campus Mitte
Dorotheenstrasse 94
10117 Berlin

Tel. +49 (0) 30 450539764
Fax. +49 (0) 30 450539964
Public Relations
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP),
Robert-Rössle-Straße 10
13125 Berlin

Silke Oßwald
Phone: +49 (0)30 94793 104
Email: osswald@fmp-berlin.de

Das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.900 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.fmp-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

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