Die Wissenschaft hat längst erkannt, was Wiesn-Besucher schon immer wussten: Bier kann glücklich machen. Doch hinter diesem Gefühl steckt ein komplexer biologischer Prozess, der auf dem Austausch von Dopamin basiert. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Aspekte des Dopamin-Austauschs, von den grundlegenden Mechanismen der Nervenzellkommunikation bis hin zu den Auswirkungen auf Verhalten, Motivation und neurologische Erkrankungen.
Einführung in die Nervenzellkommunikation
Die Informationsverarbeitung im Gehirn basiert auf der Kommunikation zwischen Nervenzellen (Neuronen) über Synapsen. Lange Zeit vermuteten Forscher, dass elektrischer Strom zwischen den Zellen fließt, da innerhalb einer einzelnen Nervenzelle Information vor allem als elektrisches Aktionspotenzial weitergeleitet wird. Tatsächlich gibt es auch elektrische Synapsen, die Neuronen verbinden, aber diese sind im Nervensystem in der Minderheit. Die meisten Synapsen kommunizieren chemisch miteinander.
Die Botenstoffe, die an chemischen Synapsen Information übertragen, nennt man Neurotransmitter. Bis heute konnten Wissenschaftler Dutzende dieser Substanzen aufspüren, die sich in unterschiedliche Klassen einteilen lassen. Zu den bekanntesten gehören Serotonin und Dopamin, die beide auch als "Glückshormone" gelten.
Grundlagen der Signalübertragung: Neurotransmitter und Rezeptoren
Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Diese werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist, etwa das dopaminerge System oder das cholinerge System.
Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. Solche Verbindungen, auf welche die Rezeptorsubtypen ansprechen, heißen auch Agonisten. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren. Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus.
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Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich großteils in drei Substanzklassen einordnen:
- Aminosäuren: Glutamat, GABA und Glycin
- Amine: Serotonin, Dopamin
- Neuropeptide: Mehr als 50 entdeckte Peptide
Dopamin: Ein Schlüsselneurotransmitter
Dopamin ist ein Neurotransmitter im Gehirn, der für die Regulation von Bewegung, Motivation und Belohnung zuständig ist. Es entsteht ebenso wie Noradrenalin und Adrenalin aus der Aminosäure Tyrosin. Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, wobei zwei dopaminerge Neuronengruppen besondere Bedeutung haben:
- Substantia nigra: Sendet Nerven ins Striatum und ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig. Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das motorische Störungen aus - die Parkinson-Krankheit.
- Ventrales Tegmentum: Axone reichen in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems (mesocorticolimbisches System). Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt.
Dopamin als "Glückshormon" und seine vielfältigen Funktionen
Dopamin wird oft als "Glückshormon" bezeichnet, da es Glücksgefühle auslösen kann. Wenn das Gehirn Dopamin ausschüttet, fühlen sich Menschen motivierter, empfinden Freude, und der Belohnungseffekt setzt ein. Sie fühlen sich möglicherweise auch wacher, konzentrierter und engagiert bei Aktivitäten.
Die Dopaminspiegel im Körper werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, etwa von der Genetik und dem Lebensstil (einschließlich der Ernährung). Auch andere Faktoren wie emotionale Zustände, Stress, Schlaf und das Nachgehen von belohnenden Aktivitäten wie Sport, Hobbys oder sozialen Interaktionen wirken sich auf die Dopaminspiegel aus.
Zu den Hauptfunktionen von Dopamin gehören:
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- Belohnung und Vergnügen: Das Gehirn schüttet Dopamin bei angenehmen Aktivitäten oder positiven Erfahrungen aus, wie Essen, Sport, Sex und sozialem Austausch.
- Motivation: Dopamin dient als Belohnungssignal, verstärkt Verhalten und motiviert zur Wiederholung angenehmer Erlebnisse.
- Stress und Aufregung: Stressige oder aufregende Situationen bewirken eine vermehrte Dopaminausschüttung und steigern Wachsamkeit, Aufmerksamkeit und Handlungsbereitschaft.
- Körperliche Aktivität: Während und nach körperlicher Aktivität steigen Dopaminwerte.
- Schlaf-Wach-Zyklus: Dopaminwerte schwanken im Tagesverlauf und sind in Wachphasen höher als im Schlaf.
Dopamin und Sucht
Erhöht man durch geeignete Wirkstoffe die verfügbare Dopamin-Menge, so wirkt sich das stimulierend aus - oft allerdings auch suchterzeugend. Ein bekanntes Beispiel ist Kokain: Es hemmt die Wiederaufnahme von Dopamin und sorgt so für Wachheit, gesteigertes Selbstwertgefühl und Euphorie; gleichzeitig macht die Stimulation des Belohnungssystems abhängig. Auch der Konsum illegaler Drogen (wie Kokain oder Amphetamine) wirkt sich stark auf den Dopaminspiegel aus. Diese Substanzen verursachen eine schnelle Freisetzung des Botenstoffes aus den Nervenzellen im Gehirn, sodass es seine Wirkung entfalten kann, und blockieren dessen Wiederaufnahme in diese Zellen, womit seine Wirkung endet.
Dopamin-Mangel und neurologische Erkrankungen
Niedrige Dopaminspiegel können Müdigkeit, Apathie und Anhedonie (Unfähigkeit, Freude zu empfinden) auslösen. In extremen Fällen trägt ein Mangel möglicherweise sogar zur Entstehung verschiedener psychischer Erkrankungen wie Depressionen und Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS) bei. Erkrankungen, die mit Dopaminmangel einhergehen, sind zum Beispiel Parkinson und Restless Legs.
Dopamin-Rezeptoren und genetische Variation
Die Dichte der Dopamin-Rezeptoren, also Andockstellen für diesen Botenstoff, variiert je nachdem, welche genetische Variante des entsprechenden Rezeptorgens die Person besitzt. So führt die Variante A1 zu einer Reduktion der Rezeptordichte. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Träger der A1-Genvariante negative Rückmeldungen weniger zum Lernen nutzten als Versuchspersonen, deren Genotyp mit eine höheren Rezeptordichte einhergeht.
Dopamin und Ernährung: Die Rolle von Bier und anderen Lebensmitteln
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass bestimmte Lebensmittelinhaltsstoffe das Belohnungszentrum im Gehirn aktivieren und somit für ein zufriedenes Gefühl beim Konsumenten sorgen. Dieses Gefühl wird durch den Neurotransmitter Dopamin ausgelöst: Verlockende Lebensmittel aktivieren Gehirnareale des Belohnungszentrums, in denen der Dopamin-D2-Rezeptor zu finden ist.
Hordenin in Bier als Dopamin-Agonist
Die Substanz Hordenin, ein Inhaltsstoff von Gerstenmalz und Bier, zeigte vielversprechende Testergebnisse. Genau wie Dopamin aktiviert Hordenin den Dopamin-D2-Rezeptor - mit einem wichtigen Unterschied: Er funktioniert über einen anderen Signalweg. Hordenin aktiviert den Rezeptor im Gegensatz zu Dopamin ausschließlich über sogenannte G-Proteine, was zu einem nachhaltigeren Effekt auf das Belohnungszentrum führen könnte. Ob die im Bier enthaltenen Mengen für eine spürbare Beeinflussung des Belohnungszentrums ausreichend sind, wird derzeit untersucht.
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Dopamin und die Kontrolle der Nahrungsaufnahme
Als wichtigster Botenstoff des Belohnungssystems im Gehirn wird Dopamin ausgeschüttet, wenn zum Beispiel lang angestrebte Ziele erreicht werden und ein Verlangen oder die unmittelbare Aussicht auf Belohnung uns zu einer Handlung motivieren. Das Gehirn schüttet bereits die ersten Dopamin-Moleküle aus, wenn die Teilnehmer den Shake im Mund schmecken. Sobald das Getränk den Magen erreicht, wird erneut Dopamin freigesetzt.
Die Gehirne von Teilnehmern, die ein besonderes Verlangen nach einem Milchshake hatten, setzten mehr Dopamin frei, wenn das Getränk im Mund war. Sobald es aber den Magen erreichte, wurde weniger Dopamin ausgeschüttet.
Wenn die Belohnungssignale stärker als das Gleichgewichtssignal sind, essen wir mehr als notwendig.
Dopamin und Parkinson-Krankheit: Ein gestörter Austausch
Parkinson ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung nach Alzheimer. Sie entsteht, wenn Dopamin-ausschüttende Nervenzellen im Gehirn absterben. Warum und woran diese Neurone zugrunde gehen, ist immer noch unklar.
Fehlt Dopamin im Gehirn, ist unter anderem die Übertragung von Nervenimpulsen auf Muskelzellen gestört. Die Folgen: Beweglichkeit und Geschick gehen verloren, es treten Muskelsteifheit und Ruhetremor auf, und die Betroffenen haben Probleme, Bewegungen zu initiieren.
Forschung zum Kalziumstoffwechsel in Dopamin-Neuronen
Mittlerweile ist bekannt, dass bestimmte Dopamin-ausschüttende Neuronen besonders verletzlich sind, die in einer bestimmten Region des Hirnstamms angesiedelt sind: der sogenannten schwarzen Substanz. Forschende wollen im Detail verstehen, wie genau Kalzium in diese Nervenzellen eintritt und wie es dort die Dopamin-Ausschüttung und andere Prozesse steuert.
Kalzium ist essentiell, um elektrische und chemische Signale zu erzeugen, die wichtig sind, um zum Beispiel Dopamin freizusetzen. Andererseits ist Kalzium aber auch dafür bekannt, dass es Stress auslösen und sogar den Zelltod herbeiführen kann. Es ist deshalb wichtig, dass der Kalzium-Stoffwechsel gut ausbalanciert ist und auch unter Stress nicht aus dem Ruder läuft, denn die Dopamin-ausschüttenden Zellen reagieren auf solche Störungen besonders empfindlich.
Neue Mechanismen der Dopamin-Freisetzung
Forschende haben einen neuen Mechanismus für die Freisetzung von Dopamin im Gehirn identifiziert. Beim entdeckten Mechanismus entsteht das zur Dopamin-Freisetzung führende Aktionspotenzial direkt im sendenden Axon, hervorgerufen durch die Wirkung eines zweiten Botenstoffs namens Acetylcholin. Diese Acetylcholin-freisetzenden Zellen können sich in unmittelbarer Nähe zu Dopamin-freisetzenden Axonen befinden. Acetylcholin Dopamin-freisetzende Nervenfasern direkt erregt.
Dopamin und Acetylcholin gehören zu den wichtigsten Neurotransmittern im Körper. Ihr besonderes Zusammenspiel findet über einen völlig neuen Mechanismus statt, der bisher von anderen Botenstoffen im Gehirn nicht bekannt ist.
Membranpotential, Aktionspotential und synaptische Übertragung
Das Membranpotential ist eine entscheidende elektrische Eigenschaft der Nervenzellen. Es beschreibt den Spannungsunterschied über die Zellmembran hinweg und ermöglicht die Signalübertragung im Nervensystem. Es entsteht durch die ungleiche Verteilung von Ionen wie Natrium (Na+) und Kalium (K+) zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle.
Das Membranpotential ist entscheidend für:
- Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
- Auslösung von Aktionspotentialen
- Steuerung der Öffnung und Schließung von Ionenkanälen
Das Aktionspotential ist ein kurzfristiger Anstieg des Membranpotentials einer Nervenzelle, das es dem Neuron ermöglicht, Informationen schnell und effizient über große Entfernungen zu übertragen.
Die synaptische Übertragung ist der Prozess, bei dem das elektrische Signal eines Neurons in ein chemisches Signal umgewandelt wird. Diese Umwandlung geschieht an der Synapse, der Verbindungsstelle zu einem anderen Neuron oder einer Zielzelle, wo Neurotransmitter freigesetzt werden, um den Signalfluss fortzusetzen.
Synaptische Plastizität und Signaltransduktion
Die synaptische Plastizität ist die Fähigkeit der Synapsen, ihre Stärke zu verändern, was für Lernen und Gedächtnis entscheidend ist. Solche Veränderungen werden durch intrazelluläre Signalwege gesteuert, die Proteinkinasen aktivieren, welche wiederum strukturelle Anpassungen und Genexpression beeinflussen.
Die Signaltransduktion in Nervenzellen bezieht sich auf die Verarbeitung und Weitergabe von Signalen von einem Teil der Zelle zum anderen, um eine spezifische physiologische Antwort auszulösen. Nervenzellen kommunizieren hauptsächlich über elektrische Impulse und chemische Signale.