Kommunikationswege zwischen Darm und Gehirn entschlüsselt

Lange Zeit dachten Wissenschaftler, das sogenannte Bauchgefühl kommt im Gehirn nur durch die relativ langsame Übertragung durch Botenstoffe an. Im Jahr 2018 veröffentlichten US-amerikanische Wissenschaftler eine bahnbrechende Studie über direkte Nervenverbindungen zwischen Darm und Gehirn. Seitdem wird fleißig geforscht, wie diese Kommunikationswege funktionieren. Deutsche Wissenschaftler haben jetzt eine Studie veröffentlicht, die sich mit der Funktion von sensorischen Neuronen am Darm befasst.

Entspannender Vagusnerv wichtig für Balanceakt

Das deutsche Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut in Köln untersuchte im Detail, wie die Kommunikationswege während des Essens funktionieren. Während dieses Vorgangs werden sensorische Neuronen an verschiedenen Teilen unseres Darms aktiv, die in Bruchteilen von Sekunden über Nervensignale das Gehirn informieren. Mithilfe dieser Informationen steuert das Gehirn, wie viel wir essen. Gleichzeitig sorgt es dafür, den Blutzuckerspiegel auszubalancieren.

Bei diesem komplexen Balanceakt spielt der Vagusnerv eine wichtige Rolle. Die neue Studie wirft Licht auf die genauen Wege, die diese Nervensignale vom Darm zum Gehirn nehmen. Für die Studie arbeiteten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung mit dem Exzellenzcluster für Altersforschung (CECAD) der Universität Köln und des Universitätsklinikums Köln zusammen.

Zunächst identifizierten die Wissenschaftler verschiedene sensorische Neuronen des Vagusnervs, die am Darm angesiedelt sind. Diese Neuronen sind mit verschiedenen nachgeschalteten Schaltkreisen im Gehirn verbunden, die sich mit der Nahrungsaufnahme und dem Glukosestoffwechsel beschäftigen.

Für die Studie rekonstruierten die Forscher Innervationsmuster im Darm von vagalen (zum Vagusnerv gehörenden) und spinalen (zum Rückenmark gehörenden) sensorischen Neuronen. Ziel war es, GLP1R (Glucagon-like Peptid 1 Rezeptor)-exprimierende vagale sensorische Neuronen zu verfolgen. Sie leiten Signale vom Magen an Neuronen im Hirnstamm weiter, die Appetitlosigkeit verursachen. Sie werden auch als magersüchtige Signale bezeichnet. Diese werden benötigt, um den Blutzuckerspiegel beim Essen zu regulieren.

Zum Beispiel zeigen sie, dass die Aktivierung von GLP1R vagalen sensorischen Neuronen die Glukosetoleranz erhöht. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit des Körpers, Belastung durch Glukose abzubauen. Werden diese Neuronen gehemmt, wird der Glukosespiegel erhöht – unabhängig von der Nahrungsaufnahme.

Werden GPR65 (G-Protein-gekoppelter Rezeptor 65)-exprimierende Vagusneuronen am Darm stimuliert, verstärkt das die Glukoseproduktion in den Leberzellen. Das wiederum aktiviert Neuronen im Hirnstamm, die den Glukosespiegel im Blut kontrollieren.

„Die Reaktion unseres Gehirns bei der Nahrungsaufnahme ist wahrscheinlich ein Zusammenspiel dieser beiden Nervenzelltypen“, sagt Dr. Henning Fenselau, ein Hauptautor der Studie. „Nahrung mit viel Volumen dehnt unseren Magen und aktiviert die Nervenzelltypen, die dieses Organ innervieren. Ihre Aktivierung fördert ab einem bestimmten Punkt das Sättigungsgefühl und stoppt damit die weitere Nahrungsaufnahme und koordiniert gleichzeitig die Anpassung des Blutzuckerspiegels. Nahrungsmittel mit einer hohen Nährstoffdichte neigen dazu, die Nervenzellen im Darm zu aktivieren. Ihre Aktivierung erhöht den Blutzuckerspiegel, indem sie die Freisetzung von körpereigener Glukose koordiniert, aber sie stoppen die weitere Nahrungsaufnahme nicht.“

Im Kontrollzentrum des Vagusnervs, dem sogenannten Nodose-Ganglion, gruppieren sich die Zellkörper verschiedener Neuronen. Einige davon innervieren den Magen, andere den Darm. Einige dieser Neuronen erkennen mechanische Reize, wie etwa das Ausmaß, in dem sich der Magen während der Nahrungsaufnahme dehnt. Andere Neuronen reagieren auf chemische Signale, wie beispielsweise Nährstoffe in der Nahrung.

„Um die Funktion der Nervenzellen im Nodose-Ganglion zu untersuchen, haben wir einen genetischen Ansatz entwickelt, der es uns ermöglicht, die verschiedenen Nervenzellen sichtbar zu machen und ihre Aktivität in Mäusen zu manipulieren. So konnten wir analysieren, welche Nervenzellen welches Organ innervieren und auf welche Signale sie im Darm reagieren,“ sagt Studienautor Dr. Fenselau. „Außerdem konnten wir die verschiedenen Arten von Nervenzellen gezielt ein- und ausschalten, um ihre genaue Funktion zu analysieren.“

Die Studie legt nahe, dass die Reaktion unseres Gehirns auf die Nahrung, die wir essen, durch ein Zusammenspiel der GLP1R- und GPR65-exprimierenden Neuronen gesteuert wird.

Die Studienergebnisse wurden in der Zeitschrift Cell Metabolism unter der Überschrift veröffentlicht: „Die Darm-Hirn-Kommunikation durch verschiedene sensorische Neuronen steuert die Nahrungsaufnahme und den Glukosestoffwechsel unterschiedlich“. Die Ergebnisse liefern spezifische Ziele für die Stoffwechselkontrolle und könnten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung therapeutischer Strategien gegen Fettleibigkeit und Diabetes spielen.

Quelle:

Borgmann D, Ciglieri E, Biglari N, Brandt C, Cremer AL, Backes H, Tittgemeyer M, Wunderlich FT, Brüning JC, Fenselau H. Gut-brain communication by distinct sensory neurons differently controls feeding and glucose metabolism. Cell Metab. 2021 May 21:S1550-4131(21)00219-9. doi: 10.1016/j.cmet.2021.05.002. Epub ahead of print. PMID: 34043943. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34043943/)

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