Stress und Nahrungsmangel sind zwei Faktoren, die tiefgreifende Auswirkungen auf die Funktion unseres Gehirns haben können. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Stress, Ernährung und neuronalen Prozessen sind Gegenstand intensiver Forschung, die ständig neue Erkenntnisse liefert. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse zu diesem Thema und untersucht, wie Stress und Nahrungsmangel verschiedene Aspekte der Gehirnfunktion beeinflussen, von der Appetitregulation bis hin zur Autophagie.
Stress und der Hypothalamus: Eine unerwartete Verbindung
Wenn wir Stress ausgesetzt sind, mobilisiert unser Körper Stoffwechselressourcen für seine Notfallreaktion. Lange Zeit wurde angenommen, dass das sympathische Nervensystem diese Stressreaktionen steuert. Neueste Forschungsergebnisse des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie in München haben jedoch gezeigt, dass spezielle Neuronen im Gehirn eine überraschende Rolle spielen.
Alon Chen und sein Team konzentrierten sich auf den Hypothalamus, eine Gehirnregion, die eine Schlüsselrolle bei der Stressreaktion spielt. Bei Stress kommt es in den Zellen des Hypothalamus zu einer Aktivierung des Rezeptors CRFR1. Bisher wurde angenommen, dass dieser Rezeptor an der schnellen Aktivierung des sympathischen Nervensystems beteiligt ist, beispielsweise durch Erhöhung der Herzfrequenz.
Die Forscher fanden heraus, dass der Rezeptor CRFR1 in etwa der Hälfte der Zellen in einer bestimmten Region des Hypothalamus vorhanden ist. Interessanterweise regen diese Zellen den Appetit an und unterdrücken den Energieverbrauch. Im Gegensatz dazu haben die Zellen, die das Sättigungsgefühl und den Energieverbrauch fördern, keine CRFR1-Rezeptoren.
Um die Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf den Körper zu untersuchen, entfernten die Forscher den CRFR1-Rezeptor aus den Zellen im Hypothalamus, die den Appetit anregen. Im Ruhezustand zeigten die Mäuse zunächst keine signifikanten Veränderungen. Wenn der Körper jedoch Kälte ausgesetzt wurde, fiel die Körpertemperatur der weiblichen Mäuse dramatisch ab - aber nur unter Stress. Ein ähnliches Ergebnis wurde beobachtet, wenn die Forscher die Mäuse fasten ließen.
Lesen Sie auch: Faszination Nesseltiere: Wie sie ohne Gehirn leben
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Rezeptor CRFR1 eine wichtige Rolle bei der Stressreaktion des Körpers spielt und dass Frauen und Männer in ihren Stoffwechselvorgängen sehr unterschiedlich auf Stresssituationen reagieren. Insbesondere wurde klar, dass Frauen und Männer in ihren Stoffwechselvorgängen sehr unterschiedlich auf Stresssituationen reagieren. Insbesondere wird klar, dass Frauen und Männer in ihren Stoffwechselvorgängen sehr unterschiedlich auf Stresssituationen reagieren.
Matthias Eder vom Max-Planck-Institut für Psychiatrie erklärt, dass der Rezeptor die Nervenzellen hemmt. Diese Erkenntnisse haben unmittelbare Auswirkungen auf die Entwicklung von Psychopharmaka, die auf diese spezifischen neuronalen Schaltkreise abzielen könnten.
Leptin und die Angstbremse im Gehirn
Viele Menschen verlieren in Stresssituationen den Appetit. Wissenschaftler der Universität zu Köln und der Uniklinik Köln haben einen neuronalen Schaltkreis im Gehirn identifiziert, der erklärt, warum das so ist - und wie sich dieser Kreislauf möglicherweise gezielt unterbrechen lässt.
Im Zentrum der Entdeckung steht das Hormon Leptin, das im Fettgewebe produziert wird und bislang vor allem als Sättigungshormon bekannt war. Die neue Studie zeigt jedoch, dass Leptin nicht nur das Hungergefühl beeinflusst, sondern auch Angst und das emotionale Gleichgewicht. Es wirkt auf Nervenzellen im lateralen Hypothalamus - einer zentralen Schaltstelle im Gehirn, die Verhalten, Energiehaushalt und Überlebensfunktionen miteinander verbindet.
Das Team um Tatiana Korotkova und Anne Petzold identifizierte eine Gruppe von Nervenzellen im Gehirn, die auf Leptin reagieren. Im Normalfall sorgt dieses Hormon dafür, dass der Körper weiß, wann genug Energie vorhanden ist. Doch die Zellen haben noch eine weitere Aufgabe: Sie senken das Angstniveau.
Lesen Sie auch: Lesen Sie mehr über die neuesten Fortschritte in der Neurowissenschaft.
Rebecca Figge-Schlensok, Erstautorin der Studie, erklärt, dass diese Nervenzellen feuern, wenn sich Tiere trotz Stress wieder bewegen, Futter suchen oder ihre Umgebung erkunden. In einem weiteren Versuch aktivierten die Forscher die Leptin-empfindlichen Zellen künstlich. Die Wirkung war deutlich: Die Mäuse zeigten weniger Angstverhalten. Sie fraßen wieder, erkundeten offene Bereiche und mieden diese nicht mehr.
Um die Relevanz für den Menschen zu prüfen, setzten die Forscher ein Tiermodell ein, das Symptome einer Magersucht nachahmt. Mäuse mit begrenztem Futterzugang und Zugang zu Laufrädern zeigten übermäßige Aktivität und Appetitverlust - typische Merkmale der Erkrankung Anorexia nervosa. Nach Aktivierung der Leptin-Zellen fraßen die Tiere wieder und bewegten sich weniger zwanghaft.
Die Kölner Forschenden entdeckten, dass der präfrontale Kortex den beruhigenden Effekt der Leptin-aktiven Nervenzellen im Hypothalamus blockieren kann. Vor allem bei sehr ängstlichen Mäusen war dieser hemmende Einfluss besonders stark ausgeprägt. Obwohl das Gehirn eigentlich bereit war, die Angst zu dämpfen, griff der präfrontale Kortex ein - und verhinderte die Entspannung. Die Folge: Die Tiere blieben angespannt, bewegten sich zwanghaft oder fraßen kaum.
Dieser Mechanismus könnte auch erklären, warum manche Menschen in Stresssituationen keinen Appetit verspüren oder übermäßig aktiv werden, um die Anspannung loszuwerden.
Übelkeit und Appetitlosigkeit: Ein Schutzmechanismus des Körpers
Appetitlosigkeit kann mehrere Ursachen haben: Sättigung, Übelkeit oder Angst. Die Nahrungsaufnahme hintanzustellen, ist ein kluger Schachzug des Körpers, um Zeit zum Regenerieren zu gewinnen. Forschende am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz haben im Gehirn einen Schaltkreis identifiziert, der Mäuse vom Fressen abhält, wenn ihnen übel ist.
Lesen Sie auch: Tinnitus und Gehirnaktivität: Ein detaillierter Einblick
Die zentrale Rolle spielen spezielle Nervenzellen in der Amygdala - eine wichtige Hirnregion, wenn Emotionen im Spiel sind. Die Zellen werden bei Übelkeit aktiviert und übermitteln appetithemmende Signale.
Wenyu Ding, Erstautorin der Studie, entdeckte in der Amygdala eine weitere Zellgruppe mit negativem Einfluss auf den Appetit. Anders als bei dem bereits bekannten Zelltyp werden diese Zellen nicht bei Sättigung, sondern durch Übelkeit aktiviert. Schalteten die Forschenden die Zellen künstlich an, hörten selbst hungrige Mäuse auf zu essen. Im Gegenzug führte das Ausschalten der Zellen dazu, dass die Mäuse sogar aßen, wenn ihnen übel war.
Die Forschenden analysierten den dazugehörigen Schaltkreis, um besser zu verstehen, wie dieser Zelltyp seine appetithemmende Funktion ausübt: Ist der Maus schlecht, erreicht diese Information das Gehirn und schließlich die Amygdala. Dort wird der neue Zelltyp aktiviert und sendet seine hemmenden Signale in weit entfernte Gehirnregionen, unter anderem den sogenannten parabrachialen Nucleus, eine Hirnstammregion, wo viele Informationen über den aktuellen Zustand des Körpers zusammenlaufen.
Damit wird klar: Appetitlosigkeit bei Sättigung ist nicht gleich Appetitlosigkeit bei Übelkeit. Im Gehirn sind dafür unterschiedliche Zellen und Schaltkreise verantwortlich.
Fasten und Autophagie: Das Gehirn als Taktgeber
Das Gehirn setzt schon nach kurzem Fasten ein Hormon frei, das die Autophagie - also die Verdauung von Zellmüll - in der Leber ankurbelt. Fasten löst Recycling in den Zellen, die sogenannte Autophagie, aus. Dadurch kann unser Körper seine Zellen selbständig reinigen und neue Energie gewinnen.
Forschende des Max-Planck-Instituts für Stoffwechselforschung in Köln haben jetzt an Mäusen gezeigt, dass das Gehirn bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. Schon nach einer kurzen Fastenzeit löst das Gehirn die Ausschüttung des Hormons Corticosteron aus und leitet damit die Autophagie in der Leber ein. Bisher ging man davon aus, dass vor allem die Leberzellen selbst dafür verantwortlich sind.
Weiyi Chen, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung, erklärt, dass man bisher davon ausging, dass unsere Körperzellen vor allem selbst spüren, wenn sie wenig Energie haben und dann die Autophagie ankurbeln. In ihrer Studie haben die Forschenden die Mäuse vier Stunden lang nicht gefüttert und anschließend untersucht, wie die AgRP-Neuronen, eine Gruppe von 3000 Neuronen im Hungerzentrum des Gehirns, dem Hypothalamus, auf dieses kurze Fasten reagierten.
Die Forschenden konnten auch herausfinden, wie das Gehirn mit der Leber kommuniziert. Wenn der Energielevel niedrig ist, lösen die Nervenzellen die Ausschüttung des Hormons Corticosteron aus, welches dann die Aktivierung der Autophagie in den Leberzellen anregt. Sie konnten auch die genauen Wege, die das Signal im Gehirn zurücklegt, im Detail aufklären und so feststellen, welche Nervenzellen an dem Prozess beteiligt sind. Außerdem zeigten sie, dass die Blockierung dieser Signalübertragung dazu führt, dass die Autophagie trotz Fasten nicht einsetzt.
Die Forschenden gehen davon aus, dass das Gehirn das erste Startsignal gibt, um die Autophagie schnell einzuleiten.
Ghrelin und die Amygdala: Das Hungerhormon im Belohnungszentrum
Zu wissen, wann es Zeit für eine Mahlzeit ist - und wann man wieder aufhören sollte zu essen - ist wichtig für die Gesundheit und das Überleben von Menschen und Tieren. Forschende am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz fanden nun heraus, dass das "Hunger-Hormon" Ghrelin spezialisierte Nervenzellen in der Amygdala von Mäusen aktiviert.
Ghrelin wird von Magenzellen freigesetzt, wenn Menschen und Tiere hungrig sind oder fasten, und fördert das Fressverhalten. Die Abteilung von Rüdiger Klein am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz untersucht die Gehirnnetzwerke, die dem Fressverhalten von Mäusen zugrunde liegen. Zu diesem Zweck haben die Forscherinnen und Forscher eine gründliche Analyse der Zelltypen in einer Gehirnregion durchgeführt, die als zentrale Amygdala bekannt ist.
Christian Peters, Postdoktorand in der Abteilung, erklärt, dass die Amygdala bisher vor allem im Zusammenhang mit Gefühlen wie Angst und Belohnungsempfinden untersucht wurde. Es wurde angenommen, dass die Regulation des Fressverhaltens in anderen Gehirnbereichen stattfindet, etwa im Hypothalamus.
Peters und seine Kolleg*innen analysierten einzelne Nervenzellen in der zentralen Amygdala und untersuchten ihre Boten-RNA-Moleküle. Die Analyse ergab, dass die Zellen in neun verschiedenen Zellclustern organisiert sind. Einige dieser Cluster fördern den Appetit, während andere ihn hemmen. Zudem passen die Zellen ihre Produktion von mRNAs an, wenn die Mäuse gefüttert werden oder fasten.
Die Forschung zeigt zum ersten Mal, dass das Hunger-Hormon Ghrelin auch auf Zellen in der zentralen Amygdala wirkt. Dort aktiviert es eine kleine Untergruppe von Zellclustern, die gemeinsam durch die Anwesenheit des Proteins Htr2a gekennzeichnet sind, um die Nahrungsaufnahme zu steigern.
Das Team fand heraus, dass die Htr2a-Neurone nach mehrstündigem Fasten oder bei Anregung durch das Hormon Ghrelin aktiv wurden. Die Zellen reagierten auch, wenn die Forschenden den Mäusen Nahrung vorsetzten.
Christian Peters erklärt, dass Ghrelin mehrere Funktionen erfüllt: Wenn Mäuse hungrig sind, aktiviert Ghrelin die appetitanregenden Hirnregionen, um die Tiere zum Fressen zu animieren. Außerdem steigert das Hormon die Aktivität in Gehirnarealen wie der Amygdala, die Belohnungsgefühle vermitteln. Auf diese Weise erhöht Ghrelin die Schmackhaftigkeit der Nahrung in Abhängigkeit davon, wie gesättigt die Mäuse gerade sind.
Die Rolle der Energiedichte und des Sättigungspotenzials
Ein große Rolle bei der Frage, wie viel (oder sogar zu viel) wir essen, spielt die Energiedichte. Sie gibt an, wie viele Kalorien ein Lebensmittel pro Gramm hat. Fetthaltige Lebensmittel haben zwar eine große Energiedichte - machen dadurch aber nicht automatisch lange satt. Im Gegenteil: Wer auf sein Gewicht achten möchte, sollte vermehrt zu Lebensmitteln mit niedriger Energiedichte greifen - sie enthalten oft wenig Fett, aber viel Wasser, haben entsprechendes Volumen und vermitteln dadurch ein Sättigungsgefühl.
Ballaststoffe, also unverdauliche Kohlenhydrate, haben durch ihr Volumen einen mechanischen Sättigungseffekt - sie dehnen den Magen, aber auch den gesamten Dünndarm. Fleisch, Fisch, Milchprodukten und Hülsenfrüchten wird ein besonders hohes Sättigungspotenzial zugeschrieben.
Der Physiologe Wolfgang Langhans von der ETH Zürich erklärt, dass es vermutlich mehrere Gründe für den Sättigungseffekt von Eiweißen gibt: Zum einen stimulieren Proteine, also Eiweiße, die Bildung von Sättigungshormonen. Außerdem tragen sie dazu bei, dass Ketonkörper in der Leber gebildet werden - diese Ketonkörper werden als Energiequelle genutzt und haben ebenfalls einen sättigenden Effekt. Ein weiterer Grund: Einzelne Aminosäuren, vor allem das Leucin, haben einen vergleichsweise schnellen Einfluss auf die Bildung von Neurotransmittern, die "Sättigung" ans Gehirn melden. Ein weiterer Vorteil von Eiweißen: Ihre Verdauung verbraucht besonders viel Energie.