Ein einfacher BDNF-Kau-Schaltkreis steuert Kauen und Appetit bei Mäusen

US-Forschende haben bei Mäusen einen verblüffend einfachen neuronalen Schaltkreis entdeckt: Nur drei Arten von Nervenzellen steuern die Kaubewegungen – und beeinflussen zudem unerwartet stark den Appetit.

„Es ist überraschend, dass diese Neuronen so stark auf motorische Kontrolle ausgerichtet sind“, sagt die Neurowissenschaftlerin Christin Kosse von der Rockefeller University.

„Wir hätten nicht erwartet, dass das Einschränken der physischen Kieferbewegung wie eine Art Appetitzügler wirken könnte.“

Ventromedialer Hypothalamus: BDNF und bekannte Zusammenhänge mit Adipositas

Schon länger war bekannt, dass Schäden im ventromedialen Hypothalamus beim Menschen mit Adipositas einhergehen können. Vor diesem Hintergrund nahmen Kosse und ihr Team die Nervenzellen in dieser Hirnregion bei Mäusen genauer unter die Lupe. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass Störungen in der Expression eines Proteins namens brain-derived neurotrophic factor (BDNF) mit Stoffwechsel, Überessen und Fettleibigkeit verknüpft sind.

Optogenetik zeigt: Aktivierte BDNF-Neuronen dämpfen Hunger- und Genussessen

Um die Funktion dieser Zellen zu testen, setzten die Forschenden Optogenetik ein, um BDNF-Neuronen bei einem Teil der Mäuse gezielt zu aktivieren. Das Ergebnis: Die Tiere verloren nahezu jedes Interesse an Nahrung. Diese Gleichgültigkeit blieb bestehen – unabhängig davon, ob sie satt oder hungrig waren. Selbst einer fetten, zuckerreichen Versuchung, vergleichbar mit einem köstlichen Schokoladenkuchen, widerstanden sie.

„Das war zunächst ein rätselhaftes Ergebnis, weil frühere Studien nahegelegt haben, dass dieser ‚hedonische‘ Antrieb, aus Genuss zu essen, sich deutlich vom Hungertreiben unterscheidet, das durch Essen das negative Gefühl – oder die negative Valenz – des Hungers zu unterdrücken versucht“, erklärt Kosse. „Wir haben gezeigt, dass die Aktivierung von BDNF-Neuronen beide Antriebe unterdrücken kann.“

Aus Sicht des Teams spricht das dafür, dass BDNF-Neuronen in der Entscheidungskette relativ weit „unten“ sitzen – an einer Stelle, an der es letztlich um die Alternative geht: Kauen oder nicht kauen.

Kieferschaltkreis mit pMe5/Me5: Wenn BDNF fehlt, steigt der Kau- und Fressdrang

Das Gegenexperiment fiel ebenso deutlich aus: Wurde der BDNF-Schaltkreis bei Mäusen gehemmt, stieg ihr Zwang, den Kiefer zu bewegen und an allem zu nagen, drastisch an – sogar an unverdaulichen Dingen wie der Wasserflasche und der Überwachungs-/Messausrüstung. Und sobald Futter verfügbar war, fraßen sie in einer festgelegten Zeitspanne 1,200 percent mehr als üblich.

Passend zu früheren Befunden zur möglichen Rolle von BDNF beim Essverhalten deuten die Daten darauf hin, dass diese Neuronen – und die von ihnen produzierten chemischen Botenstoffe – den Appetit normalerweise bremsen, es sei denn, andere Körpersignale (etwa Hunger) überstimmen diese Hemmung.

Kosse und ihr Team stellten zudem fest, dass BDNF-Neuronen Informationen über den inneren Zustand des Körpers von sensorischen Neuronen erhalten, darunter auch solche, die am Entstehen des Hungergefühls beteiligt sind. Eines der zentralen Signalmoleküle in diesem Zusammenhang ist Leptin, das ebenfalls für seine Rolle bei Hunger und Adipositas bekannt ist.

Auf Basis dieser sensorischen Informationen beeinflussen BDNF-Neuronen anschließend pMe5-Motoneuronen, die die Kaubewegungen des Kiefers steuern.

„Andere Studien haben gezeigt, dass, wenn man Me5-Neuronen bei Mäusen während der Entwicklung abtötet, die Tiere verhungern, weil sie keine festen Nahrungsmittel kauen können“, sagt Kosse. „Daher ist es plausibel, dass wir Kieferbewegungen sehen, wenn wir die dorthin projizierenden BDNF-Neuronen manipulieren.“

Wurden BDNF-Neuronen von den ‚Kau‘-Motoneuronen isoliert, kauten die Mäuse sogar dann, wenn es nichts gab, worauf sie beissen konnten. Demnach dämpfen BDNF-Neuronen eine Kauaktivität, die gewissermassen standardmässig auf an gestellt ist.

Das könnte erklären, warum Schäden in der Hirnregion, in der diese BDNF-Neuronen liegen, beim Menschen zu übermässigem Essen führen können.

„Die in unserer Arbeit präsentierten Belege zeigen, dass die mit diesen Läsionen verbundene Adipositas das Ergebnis eines Verlusts dieser BDNF-Neuronen ist, und die Befunde fassen die bekannten Mutationen, die Adipositas verursachen, in einem relativ schlüssigen Schaltkreis zusammen“, erläutert der Molekulargenetiker Jeffrey Friedman von der Rockefeller University.

Die Forschenden waren zudem überrascht, wie schlicht dieser Schaltkreis aufgebaut ist – vergleichbar mit Schaltkreisen hinter Reflexverhalten wie Husten –, obwohl Essen bislang als deutlich komplexerer Prozess galt. Allerdings ist dieser Hirnbereich auch an weiteren automatischen Verhaltensweisen beteiligt, etwa an Angstreaktionen und an der Regulation der Körpertemperatur.

„Was diese Arbeit zeigt, ist, dass die Grenze zwischen Verhalten und Reflex vermutlich viel verschwommener ist, als wir dachten“, schliesst Friedman.

Die Studie wurde in Nature veröffentlicht.