Darm, Vagusnerv und Acetylcholin: Wie Ratten im Hippocampus Essens-Erinnerungen bilden

Die meisten von uns stellen sich Gedächtnis als reine Angelegenheit des Gehirns vor: Erinnerungen entstehen und bleiben im Schädel. Bei Ratten scheint jedoch auch der Darm mitzuwirken – zumindest dann, wenn es um Erinnerungen rund ums Fressen geht.

Ein Forschungsteam an der University of Southern California verfolgte während einer Mahlzeit, wie Signale aus Magen und Darm im Gehirn ankommen.

Diese Informationen laufen über den Vagusnerv, einen wichtigen Nervenstrang, der Verdauungstrakt und Gehirn miteinander verbindet.

Sobald die Ratten fraßen, schütteten bestimmte Zellen im Hippocampus – jener Hirnregion, die wesentlich an der Bildung neuer Erinnerungen beteiligt ist – mehr von dem Botenstoff Acetylcholin aus.

Beobachtet wurde das unmittelbar im Moment des Geschehens: Die Forschenden nutzten dafür einen lichtbasierten Sensor, der im Gehirn platziert war.

Darm- und Gehirnsignale stiegen beim Fressen an

Schon wenige Sekunden nachdem eine Ratte mit dem Fressen begann, nahm die Acetylcholin-Konzentration im Hippocampus zu; kurz nachdem das Tier aufhörte, ging sie wieder zurück.

Im Verlauf der Mahlzeit verstärkte sich das Signal weiter und erreichte bei den späteren Bissen seine höchsten Werte.

Nach dem Ende des Fressens blieb der erhöhte Wert noch mehrere Minuten bestehen, statt sofort wieder auf das Ausgangsniveau zu fallen.

Nährstoffe waren ausschlaggebend, nicht der Geschmack

Um zu klären, was die Reaktion auslöst, verglich das Team verschiedene Getränke miteinander. Sowohl Zuckerwasser als auch ein Maisöl-Getränk ließen Acetylcholin im Hippocampus ansteigen.

Ein kalorienfreier Süssstoff namens Saccharin tat das nicht – obwohl die Ratten ihn als ebenso angenehm empfanden. Tatsächlich tranken sie sogar mehr Saccharin; der Unterschied hing also mit den enthaltenen Nährstoffen zusammen und nicht mit Geschmack oder Trinkmenge.

Auch ein Darmhormon namens Cholecystokinin, das über den Vagusnerv Sättigung signalisiert, löste die gleiche Acetylcholin-Reaktion aus. Amylin, ein Sättigungshormon, das ohne den Vagusnerv wirkt, zeigte dagegen keinen Effekt.

„Wir glauben, dass sich dieser Mechanismus wahrscheinlich entwickelt hat, um Tieren dabei zu helfen, lebenswichtige Informationen über Nahrungsquellen zu behalten“, sagte Logan Lauer, Doktorand in Kanoskis Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie.

Der Vagusnerv war notwendig

Um zu prüfen, ob der Nerv selbst entscheidend ist, durchtrennten die Forschenden bei einem Teil der Ratten den Vagusnerv. Ohne diese Verbindung verschwand die Acetylcholin-Reaktion auf eine Mahlzeit vollständig.

In einer weiteren Gruppe zerstörte das Team gezielt jene Gehirnzellen, die Acetylcholin in den Hippocampus abgeben. Auch dadurch wurde die Reaktion ausgelöscht.

Zusätzlich senkte das Durchtrennen des Nervs die Menge eines Proteins, das dem Gehirn hilft, Acetylcholin für die Ausschüttung zu verpacken. Zwei weitere, mit Acetylcholin verknüpfte Proteine blieben unverändert.

Ratten vergaßen, wo sie gefressen hatten

Anschliessend prüfte das Team das Gedächtnis direkt. Hungrige Ratten suchten auf einem runden Tisch mit rund 122 cm Durchmesser nach einem Futterversteck: Es gab 18 Löcher, und in einem davon befand sich ein Tunnel mit Nahrung.

Bei einem späteren Durchlauf steuerten gesunde Ratten wieder den richtigen Ort an. Ratten mit durchtrenntem Vagusnerv – oder Tiere, bei denen die Acetylcholin-Zellen entfernt worden waren – lagen nicht besser als Zufall.

Das Versteck wurde täglich an eine andere Stelle verlegt, sodass die Ratten jedes Mal eine neue Position lernen mussten. Damit ging es um schnelles, situationsbezogenes Erinnern und nicht um eine starre Gewohnheit.

Während dieses Tests stieg bei gesunden Ratten Acetylcholin genau dann an, wenn sie das richtige Loch überprüften. Bei Ratten mit durchtrenntem Vagusnerv blieb dieser Anstieg aus.

Ungesunde frühe Ernährung schwächte die Reaktion ab

Auch die Ernährung in frühen Lebensphasen machte einen Unterschied. Einige Ratten bekamen über 30 Tage eine kantinenähnliche, stark verarbeitete Kost – mit Chips, Süssigkeiten und zuckerhaltigen Getränken – und wurden danach wieder auf normales Futter umgestellt.

Bei diesen Tieren trat der anhaltende Acetylcholin-Anstieg nach einer Mahlzeit nicht mehr auf. Ausserdem schnitten sie im Test zur Erinnerung an den Futterort schlechter ab – wenn auch nicht so schlecht wie die Ratten, denen entweder der Nerv oder die betreffenden Gehirnzellen fehlten.

Ihre Sättigungssignale waren ebenfalls abgeschwächt. Eine Dosis Cholecystokinin, die bei normalen Ratten das Fressen drosselt, zeigte bei diesen Tieren kaum Wirkung.

Über einen Zeitraum von sechs Tagen nahmen die Ratten mit der ungesunden Kost insgesamt mehr Nahrung zu sich als die anderen. Das Plus entstand vor allem dadurch, dass ihre Mahlzeiten grösser waren, nicht dadurch, dass sie häufiger fraßen.

Was uns Ratten bisher nicht sagen können

Die Experimente wurden an männlichen Ratten durchgeführt, und beim Menschen ist dieses System bislang nicht nachgewiesen.

Der von der Arbeitsgruppe beschriebene Weg – vom Darm über den Hirnstamm bis zum Gedächtniszentrum – ist derzeit noch ein Arbeitsmodell und keine endgültig bestätigte Verschaltung.

Zudem erinnerten sich die Ratten mit der ungesunden Kost noch besser als zufällig, anders als die Tiere ohne Vagusnerv oder ohne die Acetylcholin-Zellen. Nach Einschätzung der Forschenden könnten andere Eingänge ins Gehirn den geschwächten Darmsignalweg teilweise kompensieren.

Sie verweisen ausserdem auf ein zweites Darmhormon, das später während der Verdauung freigesetzt wird und möglicherweise dazu beiträgt, Acetylcholin nach dem Ende einer Mahlzeit hoch zu halten. Dieser Teil des Modells ist bislang jedoch nicht getestet.

Einen Hinweis auf eine ähnliche Verbindung gibt es auch beim Menschen.

In Taiwan entwickelten Patientinnen und Patienten, bei denen zur Behandlung von Geschwüren ein Teil des Vagusnervs durchtrennt worden war, später häufiger eine Demenz als vergleichbare Patientinnen und Patienten – wobei dieser Befund nicht beweisen konnte, dass die Operation die Ursache war.

Alzheimer-Krankheit zeigt eine passende Veränderung

Scott Kanoski, Professor für Biowissenschaften an der University of Southern California, leitete die Studie.

„Die Störung der Acetylcholin-Signalgebung im Hippocampus ist eine der frühesten neurochemischen Veränderungen bei der Alzheimer-Krankheit“, sagte Kanoski.

„Indem wir zeigen, dass dieses System durch Darmsignale über den Vagusnerv verstärkt wird, könnten neuartige therapeutische Zielpunkte diese Informationen nutzen, um Vagusnerv-basierte Ansätze zu untersuchen, etwa die Vagusnerv-Stimulation.“