Die zunehmende Prävalenz von Übergewicht und Adipositas stellt eine globale Herausforderung dar, die eng mit Stoffwechselstörungen wie Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) und dem metabolischen Syndrom (MetS) verbunden ist. Diese Erkrankungen beeinflussen nicht nur die körperliche, sondern auch die psychische Gesundheit erheblich. Da das Gehirn eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Stoffwechsels spielt, ist es von entscheidender Bedeutung, die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanismen zu verstehen und zu untersuchen, wie Veränderungen in diesen Bahnen zur Entstehung von Adipositas und den damit verbundenen Erkrankungen beitragen.
Neurobiologische Grundlagen der Stoffwechselregulation
Jens Brüning und Henning Fenselau beleuchten in ihrem Übersichtsartikel in Science die jüngsten Fortschritte im Verständnis der Neurobiologie, die die Regulation der Nahrungsaufnahme, des Energiehaushalts und des Glukosestoffwechsels steuert. Sie beschreiben verschiedene Nervenzellpopulationen im Hypothalamus sowie deren neuronale Verschaltungen im Gehirn, die in dieser Regulation eine entscheidende Rolle spielen. Der Hypothalamus, eine Hirnregion, die für grundlegende biologische Prozesse wie Hunger, Körpertemperatur und Schlaf verantwortlich ist, steht im Fokus der Forschung. Ein internationales Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Stoffwechselforschung in Köln und der Universität Cambridge hat einen detaillierten Zellatlas der Hypothalamusregion veröffentlicht, der wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Medikamenten gegen Adipositas liefern könnte.
Die Rolle von Insulin im Gehirn
Insulin, ein Hormon, das traditionell mit seiner peripheren Wirkung im Körper in Verbindung gebracht wird, spielt auch im Gehirn eine wichtige Rolle. Es reguliert das Sättigungsgefühl über den Hypothalamus und beeinflusst kognitive Funktionen und neuronale Netzwerke. Insulinrezeptoren (IR) werden in der Hippokampus-Amygdala-Region exprimiert, was die Bedeutung von Insulin für lebenswichtige Funktionen des Gehirns wie Energieerhaltung, Stimmung und Gedächtnisbildung unterstreicht.
Eine gestörte Insulinsignalübertragung kann zu Funktionsstörungen des Gehirns führen und möglicherweise neurodegenerative Erkrankungen, insbesondere die Alzheimer-Krankheit (AD), begünstigen. Da die Insulinsignalübertragung für die synaptische Plastizität, das Gedächtnis und die Langzeitpotenzierung von wesentlicher Bedeutung ist, spielt der gestörte Insulinweg folglich auch eine Rolle bei der Entstehung von AD. Die systemische Insulinresistenz ist ein Syndrom, das mit verschiedenen Erkrankungen wie T2DM, Bluthochdruck und Adipositas einhergeht. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass die Insulinresistenz das Bindeglied zwischen T2DM, Adipositas, nichtalkoholischer Steatohepatitis (NASH) und Hirnfunktionsstörungen ist, die sich auf Intelligenz, Emotionsregulation, Kognition, Lernen wie Gedächtnis auswirken.
Das Kohlenhydrat-Insulin-Modell
Das Kohlenhydrat-Insulin-Modell (CIM) postuliert Adipositas als Stoffwechselstörung mit hormonellen Reaktionen auf Veränderungen der Nahrungsmittel, insbesondere hochverarbeitete mit hoher glykämischer Belastung. Im Gegensatz zur konventionellen Behandlung von Fettleibigkeit, die auf dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik basiert, betont das CIM die adaptive Rolle des Gehirns. Demnach führt übermäßiges Essen nicht allein zu einer Zunahme des Körperfetts, sondern auch der Prozess der Speicherung von überschüssigem Fett führt zu übermäßigem Essen.
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Eine Ernährung, die reich an hochverdichteten Kohlenhydraten ist, erhöht das Verhältnis von Insulin zu Glukagon und verlagert die Energieverteilung in Richtung Speicherung im Fettgewebe, sodass weniger Kalorien für stoffwechselaktive und kraftstoffempfindliche Gewebe im Körper übrigbleiben. Infolgedessen steigen über neuronale Prozesse im Gehirn der Hunger und die Stoffwechselrate verlangsamt sich bei dem Versuch des Körpers, Energie zu sparen. Eine kleine Verschiebung in der Substratverteilung wäre dabei für die langsame, aber fortschreitende Gewichtszunahme verantwortlich, die für häufige Formen der Fettleibigkeit charakteristisch ist. Eine diätetische Strategie zur Senkung der Insulinsekretion könnte dagegen die Wirksamkeit des langfristigen Gewichtsmanagements und der Vorbeugung chronischer Krankheiten erhöhen.
Die Auswirkungen von Zucker und Belohnungssystem
Der Konsum von Zucker ist für die meisten Menschen schmackhaft und für den Moment wohltuend aufgrund eines starken Einflusses auf unser Belohnungssystem. Durch wiederholte Aufnahme von hochverdichteten Kohlenhydraten insbesondere in Kombination mit Fett kommt es zur Dopaminausschüttung als Schlüsseltransmitter im Rewardsystem, letztlich aber auch dadurch zu Veränderungen der Dopaminrezeptoraktivität, was mit einer veränderten Belohnungsverarbeitung und Sensibilität einhergehen kann und das Verlangen nach Zucker/Fett steigert. Langfristig kann dies zu einer Desensibilisierung des dopaminergen Regelkreislaufs führen, bei der mehr Nahrung benötigt wird, um das gleiche Belohnungsgefühl zu erzielen. Diese neuroadaptiven Veränderungen können letztlich zu einer Entkopplung des Essverhaltens von den kalorischen Bedürfnissen führen, was zu wiederkehrendem Überessen und im Verlauf mit einer Gewichtszunahme einhergeht. Die Entwicklung eines metabolischen Syndroms (MetS) oder T2DM, aber auch die Zunahme inflammatorischer Prozesse sind die Folgen.
Eine Forschergruppe um Bartley Hoebel hat die Effekte erhöhten Zuckerkonsums genauer untersucht. In der Studie wurde Ratten zunächst die morgendliche Fütterung verwehrt und erst im Intervall Zugang zu einer Zuckerlösung gegeben. Nach Konsum konnte ein Steigen des Dopaminlevels im Bereich des Nucleus accumbens beobachtet werden. Im Verlauf der Intervention nahmen sowohl die Dopaminausschüttung als auch die Dichte der D2-Rezeptoren ab, so wie es auch bei anderen Abhängigkeitserkrankungen beobachtet werden kann. Die Auswirkungen von Dopamin im Gehirn sind dabei möglicherweise nicht auf hedonische Wege der Nahrungsbelohnung beschränkt. Zum Beispiel kann striatales Dopamin auch nachgeschaltete Hypothalamuskerne beeinflussen, die traditionell auch für die Kontrolle der homöostatischen Ernährung und die Regulierung des Körpergewichts verantwortlich gemacht werden, was letztendlich die Aufnahme von Nahrungsmitteln fördert, die Fettleibigkeit verursachen, und die Abwertung von Lebensmitteln, die nicht zu Fettleibigkeit führen.
Leptin und die Regulierung des Energiehaushalts
Weitere Daten weisen darauf hin, dass es einen Zusammenhang zwischen Leptin und der Aktivierung von Belohnungswegen im Gehirn als Reaktion auf Nahrungsmittelreize gibt. Leptin ist ein Hormon, das hauptsächlich von Fettzellen produziert wird und eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Energiehaushalts des Körpers spielt. Leptin signalisiert vereinfacht gesagt dem Gehirn den aktuellen Fettgehalt im Körper, um Nahrungsaufnahme und Energieverbrauch zu steuern. Es beeinflusst somit Appetit und Stoffwechsel. Eine Leptinresistenz, bei welcher der Körper weniger sensibel auf Leptin reagiert, kann zu Überessen und Gewichtszunahme führen, was häufig bei Adipositas beobachtet wird.
Das Mikrobiom-Darm-Hirn-Achse
Das Mikrobiom - die Gesamtheit aller Mikroorganismen eines Wirts - und ihre jeweiligen Stoffwechselprodukte kommunizieren über eine Reihe biochemischer und funktioneller Verbindungen mit dem Wirt und beeinflussen so dessen Homöostase und Gesundheit. Insbesondere kommuniziert der Magen-Darm-Trakt über die Darm-Hirn-Achse mit dem Zentralnervensystem, um die Entwicklung und Aufrechterhaltung von Neuronen zu unterstützen, während sich eine Darmdysbiose wohl in neuropsychiatrischen Störungen manifestiert. Es gibt drei grundlegende Mechanismen, welche die Kommunikation zwischen dem Darm und dem Gehirn vermitteln: direkte neuronale Kommunikation, endokrine Signalübermittler und das Immunsystem. Zusammen bilden diese Systeme ein hochgradig integriertes molekulares Kommunikationsnetz, das systemische Ungleichgewichte mit der Entwicklung von Neurodegeneration verbindet, einschließlich der Insulinregulierung, des Fettstoffwechsels, der oxidativen Marker und der Immunsignalgebung. Das Gleichgewicht des Mikrobioms kann beispielsweise durch Süßstoffe, aber auch Konservierungs- und Zusatzstoffe wie Emulgatoren und besonders durch Alkoholkonsum in Dysbalance geraten.
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Metabolische Homöostase im Gehirn
Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig wollen zusammen mit Forschern anderer Institute und Universitäten die sogenannte metabolische Homöostase im Gehirn genauer bestimmen. Das menschliche Gehirn besteht aus rund 83 Milliarden Nerven- und ebenso vielen Gliazellen. Ihr inneres Milieu wird durch fein abgestimmte Stoffwechselvorgänge in einem Gleichgewichtszustand gehalten. Vor allem Erkrankungen im Alter haben laut den Forschern ihre Ursache unter anderem darin, dass die metabolische Homöostase der Gehirnzellen gestört wird.
Therapeutische Ansätze und Lebensstilinterventionen
Die Forschung hat gezeigt, dass eine Insulinresistenz im Gehirn beeinflusst und möglicherweise umkehren lässt. Sowohl die Gabe von Empagliflozin (ein Medikament, das bereits als Diabetes-Medikament zugelassen ist) als auch regelmäßiger Sport hatten einen messbaren Einfluss auf die Insulinresistenz im Gehirn. Das Trainingsprogramm hatte dazu geführt, dass das Hormon seinen Einfluss wieder ähnlich gut ausüben konnte wie bei normalgewichtigen Personen.
Für fettleibige Menschen, die kaum von mehr Bewegung profitieren, könnten medikamentöse Therapien in Betracht kommen. Denn chemische Substanzen greifen an anderen Stellen im Gehirn an als körperliche Aktivitäten. So verbessert etwa Empagliflozin die Insulinwirkung im Hypothalamus - einer Hirnregion, die sehr sensibel auf Schwankungen des Blutzuckerspiegels reagiert und unser Gefühl für Hunger und Sättigung steuert.
Neben medikamentösen Therapien und Bewegung spielen auch Ernährungsinterventionen eine wichtige Rolle. Mikronährstoffe wie Polyphenole, Omega-3-Fettsäuren, einzelne Vitamine sowie Ballaststoffe und deren präbiotische Aktivität, aber auch antientzündliche diätetische Maßnahmen beeinflussen wohl Biomarker und molekulare Mechanismen, die bei psychischen Erkrankungen, insbesondere affektiven Störungen, eine Rolle spielen. Obschon nicht alles geklärt ist, sind wohl Ernährungsinterventionen perspektivisch wichtige Ergänzungen zu herkömmlichen psychiatrischen Therapien und werden Einzug in die klinische Behandlung psychischer Störungen halten (sog. „nutritional psychiatry“).
Das egoistische Gehirn
Das Gehirn ist das Organ des Menschen, das die größte Menge Glukose verbraucht. Es behandelt die Regulation seines eigenen Energiegehalts vorrangig und setzt kompetente „Brain-Pull“-Mechanismen ein, mit denen es aktiv Energie anfordert. Es reguliert die erforderliche Glukose über die Blut-Hirn-Schranke entsprechend seinem Bedarf. Fluxe innerhalb des Organismus in Richtung Gehirn. Es reduziert die insulinabhängige Glukoseaufnahme in Muskeln und Fett. Es fördert die Energiezufuhr aus der Umwelt, d. h. es initiiert die Nahrungsaufnahme.
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