Der Zusammenhang zwischen Stoffwechsel und Nervensystem: Eine detaillierte Analyse

Das Nervensystem und der Stoffwechsel sind zwei der komplexesten und wichtigsten Systeme im menschlichen Körper. Sie arbeiten eng zusammen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass der Körper richtig funktioniert. Dieser Artikel untersucht die komplizierte Beziehung zwischen diesen beiden Systemen und beleuchtet, wie sie sich gegenseitig beeinflussen.

Die Grundlagen des Nervensystems

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen, sogenannten Neuronen, die im ganzen Körper Informationen empfangen, verarbeiten und weiterleiten. Schätzungsweise 86 Milliarden Neuronen sind im menschlichen Gehirn vorhanden. Diese Neuronen ermöglichen komplexe Funktionen wie Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis, Bewegungskoordination und viele andere kognitive und motorische Prozesse.

Die Nervenzelle (Neuron)

Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende funktionelle Einheit des Nervensystems. Es handelt sich um eine spezialisierte Zelle, die in der Lage ist, elektrische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und weiterzuleiten. Neuronen sind für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen des Nervensystems verantwortlich und ermöglichen so die Koordination und Steuerung aller körperlichen und geistigen Prozesse.

Ein typisches Neuron besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten:

• Zellkörper (Soma): Das runde oder ovale Zentrum der Zelle, das den Zellkern enthält.
• Dendriten: Kurze, verästelte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie dienen als Empfänger für Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren.
• Axonhügel: Der Bereich zwischen dem Soma und dem Axon.
• Axon: Ein langer Fortsatz, der vom Soma ausgeht und Signale von diesem weg transportiert. Es dient als Übertragungskabel für elektrische Impulse, die vom Neuron erzeugt werden und kann sich über große Entfernungen erstrecken.
• Myelinscheide: Eine isolierende Schicht, die das Axon umgibt und überwiegend aus Lipiden und Proteinen besteht. Sie ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung, bei der elektrische Signale in schnellen Sprüngen entlang des Axons weitergeleitet werden. Es gibt jedoch auch Axone ohne Myelinscheiden.
• Synapsen: Verbindungsstellen, an denen das Axon endet und das elektrische Signal einen weiteren Mechanismus auslöst, oft die Ausschüttung von Neurotransmittern.

Funktionsweise eines Neurons

Neuronen nehmen über ihre Dendriten elektrische Signale von anderen Neuronen oder sensorischen Rezeptoren auf. Im Soma werden diese eingehenden elektrischen Impulse analysiert und summiert. Aktionspotenziale entstehen durch den Einstrom positiv geladener Ionen, was zu einer rapiden Umkehrung des Membranpotenzials führt. Anschließend leiten die aktivierten Neuronen das Aktionspotenzial über ihre Axone weiter. An den Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Signale umgewandelt, indem Neurotransmitter freigesetzt werden, die an spezifische Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle binden.

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Neuronale Plastizität

Ein bemerkenswerter Aspekt der Neuronen ist ihre Plastizität. Diese bezeichnet die Fähigkeit der Neuronen, sich an Veränderungen anzupassen. Plastizität ermöglicht es den Neuronen, sich durch wiederholte Aktivierung und Lernprozesse zu verändern und Verbindungen zu verstärken, abzuschwächen oder neue Verbindungen auszubilden.

Klassifikation von Nervenzellen

Die Klassifikation von Nervenzellen erfolgt auf unterschiedliche Weise, basierend auf Beobachtungen einzelner Zellen oder den ihnen zugeordneten Eigenschaften in Zellverbänden. In Bezug auf die Morphologie werden Nervenzellen in verschiedene Typen unterteilt, abhängig von ihrer äußeren Form und Struktur. Hierzu gehören:

• Unipolare Nervenzellen: Leiten sensorische Informationen von der Peripherie zum Zentralnervensystem.
• Pseudounipolare Nervenzellen: Leiten sensorische Signale von den Rezeptoren zum Zentralnervensystem weiter (typisch für das periphere Nervensystem).
• Multipolare Nervenzellen: Verantwortlich für komplexe Verarbeitungsprozesse und motorische Steuerung (der am häufigsten vorkommende Typ von Neuronen).
• Apolare Nervenzellen: Weisen weder ein Axon noch Dendriten auf und sind noch nicht entwickelt.

Eine andere Möglichkeit zur Klassifikation ist die Betrachtung der Funktion der Neuronen:

• Motorische Nervenzellen: Steuern Bewegungen, sowohl im somatomotorischen Bereich als auch im vegetativen Bereich, wo sie viszeromotorisch wirken und den sympathischen oder parasympathischen Zweig des autonomen Nervensystems regulieren.

Das vegetative Nervensystem und der Stoffwechsel

Das vegetative Nervensystem (VNS), auch autonomes Nervensystem genannt, steuert lebenswichtige Grundfunktionen wie Atmung, Verdauung und Stoffwechsel. Da diese Funktionen nicht bewusst gesteuert werden können, wird das VNS auch als autonomes Nervensystem bezeichnet. Es passt körperliche Funktionen entsprechend an und löst beispielsweise bei voller Blase Harndrang aus oder führt zur Bildung von Schweiß zur Abkühlung des Körpers bei Hitze.

Sympathikus und Parasympathikus

Das vegetative Nervensystem lässt sich weiter einteilen in das sympathische Nervensystem (Sympathikus) und das parasympathische Nervensystem (Parasympathikus). Sympathikus und Parasympathikus werden oft als Gegenspieler bezeichnet. Einfach ausgedrückt:

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• Sympathikus: Reguliert die Organfunktionen in Stresssituationen oder bei Aktivität. Er erhöht bei Gefahr Herzschlag und Atemtätigkeit und verbessert die Durchblutung, was die körperliche Leistungsfähigkeit steigert. Gleichzeitig hemmt der Sympathikus Vorgänge wie die Verdauung, die bei Gefahr nicht hilfreich sind.
• Parasympathikus: Reguliert die Organfunktionen in Entspannungsphasen. Er verlangsamt den Herzschlag und beruhigt die Atmung. Er aktiviert auch die Darmbewegung und stimuliert die Zellen der Darmwand, die für die Aufnahme von Nährstoffen zuständig sind.

Beim Zusammenspiel von Sympathikus und Parasympathikus geht es darum, dass immer diejenigen Körperfunktionen Vorrang erhalten, deren Aktivität in einer jeweiligen Situation am sinnvollsten ist. Die beiden Systeme wirken also nicht unbedingt entgegengesetzt, sondern können sich in manchen Funktionen ergänzen. Sie arbeiten zusammen, um den Körper im Gleichgewicht zu halten. Der Sympathikus übernimmt so lange die Führung, wie es nötig ist, um eine Stresssituation zu meistern. Dann schaltet sich das parasympathische Nervensystem ein und führt den Organismus in den „Normalbetrieb“ zurück.

Das enterische Nervensystem

Zum vegetativen Nervensystem zählt außerdem noch das enterische Nervensystem (ENS), das Nervensystem des Darms. Ein Geflecht aus rund 100 Millionen Nervenzellen durchzieht den gesamten Magen-Darm-Trakt und bildet ein vollständig autonomes Nervensystem. Es besteht aus einem Nervengeflecht in der Darmwand und reguliert den Darm weitgehend unabhängig. Es ist von ähnlicher Struktur und Komplexität wie das Gehirn und wird deshalb auch als „Bauchhirn“ bezeichnet.

Das enterische Nervensystem lässt sich als Teil des vegetativen Nervensystems werten und bildet sich schon lange vor der Geburt aus. Während der embryonalen Entwicklung wandert ein Teil des Gewebes, das die Nervenentstehung steuert, in das zukünftige Gehirn und das Rückenmark, wo es sich zum zentralen Nervensystem (ZNS) entwickelt. Ein anderer Teil desselben Ausgangsgewebes lagert sich an den Magen-Darm-Trakt an.

Die Darm-Hirn-Achse

Der Begriff Darm-Hirn-Achse beschreibt die Verbindung, die zwischen dem enterischen und dem zentralen Nervensystem besteht. Der Vagusnerv ist einer von 12 Hirnnerven, die das ZNS direkt mit dem ENS verbinden. Die Kommunikation der beiden Nervensysteme findet mittels verschiedener Botenstoffe, sogenannter Neurotransmitter, statt. Allgemein bekannte Neurotransmitter sind Serotonin, Dopamin und GABA (Gamma-Aminobuttersäure). Diese Botenstoffe werden sowohl im ZNS als auch im ENS produziert und als Information verstanden. Gehirn und Darm können sich über den Austausch von Botenstoffen somit wechselseitig beeinflussen.

Auch die Darmflora gilt als eine wichtige Komponente des „Bauchhirns“. Die Bakterien der Darmflora produzieren hormonähnliche Substanzen und kurzkettige Fettsäuren, die der Kommunikation zwischen ENS und ZNS über die Darm-Hirn-Achse dienen. Emotionen, Stressresistenz und Schmerzwahrnehmung lassen sich über diese Botenstoffe steuern. Das „Glückshormon“ Serotonin wird beispielsweise überwiegend im Darm gebildet. Ein wichtiger Baustein für die Produktion von Serotonin ist die Aminosäure Tryptophan. Diese produzieren die darmfreundlichen Bifidobakterien. Die Bifidobakterien-Population der Darmflora kann also den Serotonin-Spiegel und damit auch das seelische Wohlbefinden maßgeblich beeinflussen. Mikroorganismen, die über die Gehirn-Darm-Achse mit dem ZNS kommunizieren, werden als „Psychobiom“ bezeichnet.

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Stressfaktoren können die Darmtätigkeit somit unmittelbar beeinflussen: In Belastungssituationen werden Verdauungsprozesse reduziert ausgeführt, was zu Beschwerden wie Verstopfung oder Durchfall führen kann.

Einfluss des Darms auf den Stoffwechsel und das Gehirn

Die Kommunikation zwischen dem Verdauungssystem und dem Gehirn ist nicht nur für die Verdauung entscheidend, sondern reguliert auch den Stoffwechsel. Entscheidend für die Kommunikation sind die Neuronen des Vagusnervs. Die afferenten Neuronen des Vagusnervs transportieren Informationen vom Magen-Darm-Trakt zum Gehirn. Sie können mechanische Veränderungen wie das Dehnen von Organen im Verdauungstrakt erkennen sowie chemische Signale, wie z.B. Hormone, die von bestimmten Zellen im Darm freigesetzt werden. Die efferenten Neuronen des Vagusnervs, die ihren Zellkörper im Hirnstamm haben, transportieren dagegen Informationen vom Gehirn zu den Organen.

Hormonelle Signale wie GLP-1 (Glucagon-like peptide 1) vermitteln dem Gehirn Informationen über die aufgenommene Nahrung und den Energiezustand. Über komplexe Verschaltungen wirken diese Signale letztendlich auf eine Vielzahl von Nervenzellen, unter anderem auf die so genannten AgRP- und POMC-Nervenzellen, die die Nahrungsaufnahme und den Energieverbrauch maßgeblich regulieren. Neben GLP-1 können nach der Nahrungsaufnahme weitere Signale im Darm freigesetzt werden, darunter CCK (Cholecystokinin), PYY (Peptid YY) und Serotonin.

Forschende haben die Funktionen der Nervenzellgruppen identifiziert, die an der Kommunikation zwischen Darm und Gehirn beteiligt sind. Sie fanden heraus, dass Nervenzellen, deren Endigungen im Darm liegen, Informationen an das Gehirn senden und dadurch die Nahrungsaufnahme und den Glukosestoffwechsel beeinflussen. Eine dieser Nervengruppen erkennt die Ausdehnung des Magens und sendet bei Aktivierung appetithemmende Signale an das Gehirn weiter, während sie gleichzeitig den Blutzuckerspiegel senkt. Eine andere Nervenzellgruppe nimmt chemische Signale aus der Nahrung wahr. Diese beeinflussen die Nahrungsaufnahme nicht, erhöhen aber bei Aktivierung den Blutzuckerspiegel.

Stoffwechselstörungen und ihre Auswirkungen auf das Nervensystem

Stoffwechselstörungen wie Adipositas und Diabetes mellitus Typ 2 (T2DM) stellen eine wachsende globale Herausforderung dar und beeinflussen nicht nur die körperliche, sondern auch die psychische Gesundheit erheblich. Die Wirkung von Insulin, das sowohl den Glukosestoffwechsel als auch kognitive Funktionen und neuronale Netzwerke beeinflusst, rückt zunehmend in den Fokus.

Adipositas und das Kohlenhydrat-Insulin-Modell

Adipositas, T2DM und das metabolische Syndrom (MetS) haben eine komplexe Genese, resultieren aber im Wesentlichen aus einer polygenetischen Vulnerabilität und einer Über- bzw. Fehlernährung in Verbindung mit mangelnder körperlicher Aktivität. Das Kohlenhydrat-Insulin-Modell betont die adaptive Rolle des Gehirns: Übermäßiges Essen führt nicht allein zu einer Zunahme des Körperfetts, sondern auch der Prozess der Speicherung von überschüssigem Fett führt zu übermäßigem Essen. 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 steigt über neuronale Prozesse im Gehirn der Hunger und die Stoffwechselrate verlangsamt sich bei dem Versuch des Körpers, Energie zu sparen.

Eine diätetische Strategie zur Senkung der Insulinsekretion könnte die Wirksamkeit des langfristigen Gewichtsmanagements und der Vorbeugung chronischer Krankheiten erhöhen. Es konnte gezeigt werden, dass eine konsequent kohlenhydratarme Ernährung, reich an Fettsäuren, eine insulinresistente Dyslipoproteinämie ohne negative Auswirkungen auf das LDL(Low-density-Lipoprotein)-Cholesterin verbesserte. In Übereinstimmung mit dem Kohlenhydrat-Insulin-Modell erhöhte diese Senkung der verdichteten Kohlenhydrate in der Nahrung wieder den Energieverbrauch (und den Grundumsatz) während der Aufrechterhaltung der Gewichtsabnahme. Dieser metabolische Effekt kann den Erfolg der Behandlung von Fettleibigkeit verbessern, insbesondere bei Personen mit hoher Insulinsekretion. Wie jedoch so häufig scheinen dabei extreme Low-carb-Ernährungsformen und Diäten eher ungünstig und mit einer erhöhten Mortalität einherzugehen.

Mikronährstoffe und psychische Gesundheit

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“).

Auch psychotische Störungen gehen oft mit einer unausgewogenen Ernährung einher, charakterisiert durch einen hohen Verzehr von raffinierten Kohlenhydraten und Fetten z. B. in Fertigprodukten und Süßgetränken, und einem niedrigen Konsum an Ballaststoffen, Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren, Vitaminen und Mineralien. Es wurden überdies Zusammenhänge zwischen Lebensmittelallergien bzw. -empfindlichkeiten und der Zusammensetzung des Mikrobioms bei an einer psychotischen Störung Leidenden festgestellt.

Insulin und Neurotransmittersysteme

Neuere Daten fanden einen Einfluss von Insulin auf zentrale Neurotransmittersysteme. Insulinresistenz und Hypoinsulinämie scheinen vor allem das glutamaterge sowie das dopaminerge System zu beeinflussen mit Beeinträchtigungen der synaptischen Plastizität und der Funktion von Glutamatrezeptoren. Zusätzlich gibt es Hinweise auf eine veränderte Dopamintransporteraktivität.

Eine pflanzenbetonte, ballaststoffreiche, wenig verarbeitete und vollwertige - naturnahe - Ernährung beeinflusst über Biomarker molekulare Mechanismen und das Mikrobiom kognitive Funktionen und mentale Gesundheit positiv.

Das Mikrobiom und die 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. Auch legen Daten nahe, dass Veränderungen im Mikrobiom mit der Entstehung von Lebererkrankungen bei Alkoholabusus durch inflammatorische Prozesse in Zusammenhang stehen.

Zucker, Dopamin und das 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.

Leptin und das Belohnungssystem

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.

Insulin im Gehirn

Obwohl Insulin oft ausschließlich mit einer peripheren Wirkung im Körper in Verbindung gebracht wurde, haben mehrere Studien gezeigt, dass Insulin auch im Gehirn eine wichtige Rolle spielt, da es das Sättigungsgefühl über den Hypothalamus reguliert und Insulinrezeptoren u. a. auch in der Hippokampus-Amygdala-Region exprimiert werden. Diese Erkenntnisse belegen die Bedeutung von Insulin für lebenswichtige Funktionen des Gehirns, einschließlich Energieerhaltung, Stimmung und Gedächtnisbildung. Durch die Bindung an seinen Rezeptor aktiviert Insulin eine Signalübertragung, deren Defekt eine Rolle bei Funktionsstörungen des Gehirns spielt und zu neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Krankheit (AD), führen könnte. 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.

Der Zusammenhang zwischen Insulinresistenz und AD wurde in Nagetiermodellen der AD, bei fettreicher Ernährung und in einem Modell für nichtmenschliche Primaten (NHP) nachgewiesen. 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. Insulinrezeptoren im Gehirn beeinflussen Appetit und kognitive Funktionen.

Insulinresistenz im Gehirn

Insulin wirkt im Gehirn unterschiedlich stark. Bei manchen sind die Nervenzellen sehr sensibel gegenüber dem Hormon, andere reagieren nur schwach darauf oder sind vollends resistent dagegen. Das hat weitreichende Folgen für die Gesundheit der Betroffenen. Der Grad der Insulinresistenz im Kopf bestimmt, ob und wie stark übergewichtige Menschen von einer Änderung ihres Lebensstils profitieren. Personen, deren Gehirn empfindlich auf das Hormon reagiert, können durch Sport und gesunde Ernährung ihr Gewicht stärker reduzieren als Personen mit geringerer Insulinempfindlichkeit. Eine höhere Insulinsensitivität wirkt sich zudem langfristig günstiger auf das Gewicht und die Verteilung des Körperfetts aus.

Studien haben gezeigt, dass sowohl die Gabe von Empagliflozin (einem Diabetes-Medikament) als auch regelmäßiger Sport einen messbaren Einfluss auf die Insulinresistenz im Gehirn haben. Das Trainingsprogramm hatte dazu geführt, dass das Hormon seinen Einfluss wieder ähnlich gut ausüben konnte wie bei normalgewichtigen Personen. Insulin wirkt sehr stark in dem Netzwerk in unserem Gehirn, das mit Belohnung arbeitet und bestimmt, wie wir Entscheidungen treffen. Und dieses Netzwerk reagiert auf Sport.

Für fettleibige Menschen, die kaum von mehr Bewegung profitieren, könnten medikamentöse Therapien in Betracht kommen. 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.

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