Neuronale Schalt­kreise ›spüren‹ inneren Zustand

Dopamin hilft Tieren wie der Fliege Droso­phila melano­gaster gut und schlecht (symbo­li­siert durch schwarz und weiß) in ihre Entschei­dungen einzu­ordnen. Foto: Nicolas Gompel, TUM

Neuronale Schalt­kreise ›spüren‹ inneren Zustand

Wie Entschei­dungen getroffen und Verhalten gesteuert werden, ist eine der wichtigsten Fragen der Neuro­wis­sen­schaft. Der Boten­stoff Dopamin spielt dabei in unserem Gehirn eine wesent­liche Rolle. Wissen­schaft­le­rinnen und Wissen­schaftler der Techni­schen Univer­sität München (TUM) haben zusammen mit Forschenden am Max-Planck-Institut für Neuro­bio­logie die Funktionen von Dopamin beim Entscheiden und bei der Steuerung von Bewegung untersucht.

Lebewesen haben eine angeborene Duft- und Geschmacks­prä­ferenz. Attraktive Düfte sind beispiels­weise mit Nahrung verknüpft. Bei weniger attrak­tiven Düften – zum Beispiel bei verdor­benen Speisen – weiß ein Lebewesen instinktiv: »Hier könnte Gefahr drohen!«. Auch beim Geschmack haben alle Lebewesen ähnliche Präfe­renzen: Zucker und Fette werden positiv wahrge­nommen, ein bitterer Geschmack eher negativ.

Um solche Bewer­tungen machen zu können brauchen wir Signale im Gehirn, die uns sagen: »Das ist gut!« oder »Das ist schlecht!« Eine wichtige Rolle bei diesen Bewer­tungen spielt das dopaminerge System im Gehirn, besser bekannt als Belohnungssystem.

Wirkung von Dopamin weiter aufklären

Dopamin gehört zu den am inten­sivsten unter­suchten Signalen im Gehirn. Es ist sowohl in kognitive (z. B. Motivation, Verstärkung, zielori­en­tiertes Verhalten, motorische Kontrolle und Bewegung, Entschei­dungs­findung und Lernen) als auch in grund­le­gendere Funktionen (z. B. Fortpflanzung und Übelkeit) involviert.

Wie Dopamin zu den verschie­denen Aspekten der Funktion und des Verhaltens der neuro­nalen Schalt­kreise beiträgt, ist eine offene Frage, aber es wird vermutet, dass dopaminerge Neurone durch unter­schied­liche Aktivi­täts­muster dem Gehirn signa­li­sieren, was der Organismus braucht und empfindet. »Wir haben nun die Aktivität der dopaminergen Neuronen genauer unter­sucht«, sagt Ilona Grunwald Kadow. Das Team entwi­ckelte dafür eigens eine neue 3D-Bildge­bungs­me­thode basierend auf der in-vivo-Kalzium-Bildgebung, da Kalzium ein guter Indikator für neuronale Aktivität ist.

Prof. Dr. Ilona Grunwald Kadow forscht mit ihrem Team an der Fliege Droso­phila melano­gaster, um mehr über die Vorgänge im Gehirn zu erfahren. Sie ist Profes­sorin für Neuronale Kontrolle des Metabo­lismus an der TUM School of Life Sciences am Standort Weihen­stephan. Foto: A. Eckert / TUM
Neuronen reagieren flexibel und individuell

Mit Hilfe dieser Methode konnte das Forschungsteam zeigen, dass die gemeinsame Aktivität von einem Netzwerk an dopaminergen Neuronen sowohl die angeborene Geruchs- oder Geschmacks­prä­ferenz als auch den physio­lo­gi­schen Zustand des Organismus widerspiegelt.

Neben senso­ri­schen Reizen wie Gerüchen oder Geschmack nehmen dopaminerge Neuronen auch die Infor­mation auf, ob ein Lebewesen in Bewegung ist oder nicht. Die Neuronen können auf innere Verhal­tens­zu­stände und äußere Signale reagieren, sie zusam­men­fügen und damit sowohl kognitive als auch motorische Prozesse unterstützen.

»Dabei können die Neuronen flexibel und indivi­duell auf die wichtigsten Infor­ma­tionen – etwa Duft, Geschmack, aber auch Hunger oder die eigene Bewegung – reagieren. Das ist für eine ausge­wogene Entscheidung wichtig, denn ein äußeres Signal kann je nach Zustand mal gut oder auch mal schlecht bedeuten«, so Prof. Grunwald Kadow.

Überrascht hat die Forschenden, dass sich dopaminerge Neuronen von Tier zu Tier recht unter­schiedlich verhalten. Eventuell ließen sich so indivi­duelle Präferenz- und Verhal­tens­un­ter­schiede von Individuen erklären, speku­lieren die Wissenschaftler.

Zudem zeigte sich, dass die Bewegung des Tieres nicht nur diese dopaminergen Neurone aktiviert, sondern auch andere Bereiche des Hirns, die eigentlich nichts per se mit Bewegung zu tun haben. Hieraus ergeben sich Ansatz­punkte für weitere Forschungen, zum Beispiel dazu, welche Rolle Bewegung für allge­meine Hirnak­ti­vität spielt.

Origi­nal­pu­bli­kation: Siju et al.: »Valence and state-dependent population coding in dopaminergic neurons in the fly mushroom body« DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.037 Current Biology: https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30551–0

Textquelle: Presse­stelle, Technische Univer­sität München

Bildquelle: (oben) Dopamin hilft Tieren wie der Fliege Droso­phila melano­gaster gut und schlecht (symbo­li­siert durch schwarz und weiß) in ihre Entschei­dungen einzu­ordnen. Foto: Nicolas Gompel, TUM

Bildquelle: (unten) Prof. Dr. Ilona Grunwald Kadow forscht mit ihrem Team an der Fliege Droso­phila melano­gaster, um mehr über die Vorgänge im Gehirn zu erfahren. Sie ist Profes­sorin für Neuronale Kontrolle des Metabo­lismus an der TUM School of Life Sciences am Standort Weihen­stephan. Foto: A. Eckert / TUM