EIN WISSENSCHAFTLER UNTERSUCHT DAS GEHEIMNIS DER DARM-HIRN VERBINDUNG
(frei übersetzt nach einem Artikel von Karen Frances Eng aus dem TED-Ed Blog vom 30.4.2018)
Das Gehirn in deinem Kopf und das in deinem Darm tauschen ständig Informationen aus. Aber wie machen sie das? Der Neurowissenschaftler Diego Bohórquez versucht, die Antworten herauszufinden.
Wenn Sie gefragt würden, wo sich das Nervensystem des menschlichen Körpers befindet, würden Sie wahrscheinlich „das Gehirn“ oder „das Rückenmark“ antworten. Aber neben dem zentralen Nervensystem, das aus diesen beiden Organen besteht, enthält unser Körper auch das enterische Nervensystem, eine zweischichtige Auskleidung mit mehr als 100 Millionen Nervenzellen, die unseren Darm von der Speiseröhre bis zum Rektum überspannt. Das enterische Nervensystem wurde „das zweite Gehirn“ genannt, und es steht in ständigem Kontakt mit dem in unserem Schädel. Das ist der Grund, warum das bloße Nachdenken über Nahrung den Magen dazu bringen kann, Enzyme abzusondern, oder warum das Halten einer Rede zu Unwohlsein führen kann.
Bis vor kurzem dachten die Wissenschaftler, dass die beiden Systeme ausschließlich über Hormone kommunizieren, die von enteroendokrinen Zellen produziert werden, die über die gesamte Darmauskleidung verteilt sind. Nach dem Erkennen von Lebensmitteln oder Bakterien setzen die Zellen molekulare Botenstoffe frei, die das Nervensystem veranlassen, das Verhalten zu modulieren. Aber es stellte sich heraus, dass der Prozess viel direkter sein kann. Interessanterweise hat der Darmhirnforscher der Duke University, Diego Bohórquez, ein TED-Stipendiat, herausgefunden, dass einige enteroendokrine Zellen auch physischen Kontakt mit dem enterischen Nervensystem haben und Synapsen mit Nerven bilden. Diese Offenbarung öffnet die Tür zu einem Umdenken, wie wir diese Signale beeinflussen könnten – und könnte eines Tages die Art und Weise verändern, wie wir so unterschiedliche Zustände wie Fettleibigkeit, Anorexie, Reizdarmsyndrom, Autismus und PTBS (posttraumatische Belastungsstörung) behandeln.
Was hat Bohórquez‘ Interesse an der Darm-Hirn-Verbindung geweckt?
Hühner. Nachdem er von Ecuador in die USA gezogen war, war seine erste Position als Gastwissenschaftler an der North Carolina State University, wo er in einem Ernährungslabor arbeitete, das sich auf Hühner konzentrierte.
„In der Geflügelproduktion besteht die größte Herausforderung darin, die Küken so schnell wie möglich zu füttern, damit der Vogel sein maximales Wachstumspotenzial erreichen kann“, sagt Bohórquez. „Mein Doktorvater hatte die Idee, die Küken im Ei zu füttern, bevor sie schlüpfen. Diese In-ovo-Fütterung bestand darin, Enzyme in die Fruchtwasserflüssigkeit des Embryos zu bringen, kurz bevor er schlüpfte.“
Bohórquez war überrascht, wie diese Praxis das Verhalten der Küken nach dem Schlüpfen veränderte. „Die ungefütterten Hühner kamen aus dem Ei und schliefen fünf oder sechs Stunden lang. Aber die, die mit Ovo gefüttert wurden, gingen direkt zum Essen“, sagt er. „Sie waren auch wacher, verbrachten Zeit damit, sich umzuschauen und sich gegenseitig zu picken. Ich wurde fasziniert, wie aufgenommene Nährstoffe das Verhalten verändern.“
Auch die Magenbypass-Operation eines Freundes hat seine Neugierde geweckt. „Ein Freund kämpfte mit Adipositas und entschied sich als letztes Mittel für eine Magenbypassoperation. Es hat funktioniert. Sie hat viel abgenommen, und es hat ihren Diabetes gelöst“, erinnert er sich. „Aber am auffälligsten ist, dass sich ihre Wahrnehmung von Geschmack verändert hat. Früher war sie vom Anblick von laufenden Eigelben angewidert, aber nach der Operation sehnte sie sich nach ihnen.“
Eine solche Geschmacksänderung ist bei einigen Patienten, die sich einer bariatrischen Operation unterzogen haben, gut dokumentiert, aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, wie oder warum sie stattfindet, sagt Bohórquez. „Es ist ein neues Thema, aber eine Neuverkabelung des Darms scheint die Wahrnehmung des Geschmacks von Nahrung im Gehirn physisch zu verändern.“
Während Wissenschaftler gewusst haben, dass Nährstoffe im Darm von enteroendokrinen Zellen wahrgenommen werden, war die genaue Art und Weise, wie dies geschieht, trüb. Sie verstanden, dass enteroendokrine Zellen bei Stimulation Hormone freisetzen, die entweder in die Blutbahn gelangen oder benachbarte Nerven aktivieren, um die Art und Weise, wie wir essen, zu beeinflussen. „Mein Fokus lag darauf herauszufinden, wie ein sensorisches Signal von einem Nährstoff in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das das Verhalten verändert“, sagt Bohórquez. Er und seine Kollegen begannen, sich mit enteroendokrinen Zellen mittels 3D-Elektronenmikroskopie auseinanderzusetzen. Die Darstellung auf diese Weise offenbarte eine völlig neue Struktur, die noch nie zuvor gesehen wurde. „Es stellt sich heraus, dass enteroendokrine Zellen nicht nur Mikrovillen oder winzige Vorsprünge haben, die dem Darm ausgesetzt sind, sondern auch eine fußähnliche Verlängerung, die wir Neuropode nennen“, sagt Bohórquez. „Es wurde deutlich, dass enteroendokrine Zellen ähnliche physikalische Eigenschaften wie Neuronen haben, also fragten wir uns, ob sie vielleicht auch mit Neuronen verbunden sind.“
Das Geheimnis der Verfolgung synaptischer Zusammenhänge: eine besondere Art von Tollwut. Der Schlüssel zur Aufklärung des Prozesses bestand darin, eine winzige Menge des modifizierten fluoreszierenden Tollwutvirus in den Dickdarm einer Maus einzuführen. „Tollwut ist ein Virus, das Neuronen infiziert und sich über synaptische Verbindungen ausbreitet. Wenn es also in einer modifizierten Form verwendet wird, die es ihm erlaubt, nur ein Neuron auf einmal zu springen, ist es nützlich, um neuronale Schaltkreise zu verfolgen“, erklärt Bohórquez. Sieben Tage nach diesem Eingriff leuchteten die enteroendokrinen Zellen des Mausdarms grün und zeigten, dass sich die Sensorzellen tatsächlich wie Neuronen verhielten. Bohórquez züchtete dann eine Maus, die es den Tracking-Tollwutern ermöglichen würde, einen zweiten Sprung zu machen. Als er die Tracking-Tollwut in den Dickdarm dieser neuen Maus, die enteroendokrinen Zellen und die Nerven, mit denen sie verbunden waren, brachte, zeigte er die Existenz einer physischen Synapse zwischen den Sensorzellen und ihrem Nervensystem – und eine physische Verbindung, die noch nie zuvor gesehen worden war.
Die Darstellung des Kommunikationsweges zwischen Darm und Gehirn könnte uns eines Tages zu neuen Behandlungsmethoden für Störungen und Zustände führen. Eine Reihe von Krankheiten – Autismus, Fettleibigkeit, Anorexie, Reizdarmsyndrom, entzündliche Darmerkrankungen, PTBS und chronischer Stress – teilen ein Symptom, das als verändertes viszerales Empfinden oder eine Über- oder Unterempfindlichkeit gegenüber Darmreizen bekannt ist. „Zum Beispiel deuten klinische Beobachtungen darauf hin, dass einige Kinder mit Anorexie sich der Lebensmittel, die sie von klein auf einnehmen, übermäßig bewusst sein könnten“, sagt Bohórquez. „Unter normalen Umständen geschieht dieser Prozess ohne detailliertes räumliches und zeitliches Bewusstsein, aber diese Kinder können spüren, was da drin vor sich geht, was ängstliche Gefühle auslöst.“ Mit diesem Wissen können Wissenschaftler andere Krankheiten besser verstehen, von denen angenommen wurde, dass sie ausschließlich psychologisch sind.
Können unsere enteroendokrinen Zellen riechen, schmecken und berühren? „Sie besitzen die gleichen molekularen Rezeptoren, die eine mechanische, chemische und thermische Abtastung in Nase und Mund ermöglichen“, sagt Bohórquez. „Diese Mechanismen beginnen gerade erst zu erforschen, und genau hier setzt die Forschung an.“ Und über den Darm hinaus weist er darauf hin, dass die Auskleidung der Organe unseres Körpers – einschließlich Lunge, Prostata und Vagina – alle über Sensorzellen verfügen, die den enteroendokrinen Zellen ähnlich sind. „Die zukünftige Erforschung wird weiterhin aufdecken, wie das Gehirn Signale von diesen Organen wahrnimmt und wie sie unsere Gefühle beeinflussen“, sagt er.
Den Original Artikel gibt es hier.
© TED-Ed Blog | Bild David Matos, unsplash
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