Vergangene und aktuelle Forschung

Aufgeben oder Weitermachen? Wie neuronale Schaltkreise Motivation regulieren.

Wir haben kürzlich einen neuronalen Schaltkreis im Lernzentrum der Fliege identifiziert, der die Motivation bei der Futtersuche reguliert. Satte Fliegen geben schnell auf. Hungrige Fliegen sind hochmotiviert und strengen sich immer weiter und stärker an, um an das ersehnte Futter zu kommen. Dieses Verhalten haben wir als Modell genommen, um zu erforschen, wie Motivation im Gehirn produziert und reguliert wird. Wann macht man weiter? Wann ist es besser aufzugeben?

Unsere Daten zeigten, dass die relative Aktivität von neuromodulatorischen Neuronen einen Lernschaltkreis durch die Neurotransmitter Dopamin und Octopamin (verwandt mit Noradrenalin) reguliert, die einander situationsabhängig entgegenwirken. Interessanterweise wirken Misserfolge antreibend und motivierten die Fliegen, sich stärker anzustrengen. 

Sind wir die Opfer unserer Sinne?

Ilona hat einen TEDx Talk gehalten. Hier geht es zum Youtube Video: TEDxTUM 

Wie beeinflussen verhaltensgesteuerte Mechanismen und interne Zustände sensorische Wahrnehmung und Verhalten?

Prof. Dr. Ilona Grunwald Kadow wurde von Latest Thinking zu ihrem Forschungsthema interviewt:

Forschung des Grunwald Kadow Labs

Hier finden Sie eine weitere Auswahl unserer vergangenen Forschungsprojekte. Bitte klicken Sie auf das kleine + Symbol oben rechts im Artikel um mehr herauszufinden.

Riechen und schmecken, was gut ist

4. Mai 2016

Je nach den aktuellen Umständen braucht der Körper Nährstoffe in unterschiedlicher Menge und Zusammensetzung. Polyamine sind solche Moleküle, die vermehrt dort benötigt werden, wo Gewebe sich entwickeln, wachsen oder regenerieren. Niedrige Polyamin-Level werden mit neurodegenerativen Erkrankungen, Altern und Abnahme der Fruchtbarkeit in Verbindung gebracht. Zu viele Polyamine könnten dagegen bei der Entstehung von Krebs eine Rolle spielen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried haben nun mit ihren schwedischen Kollegen gezeigt, mit welchen Rezeptoren Insekten Polyamine in der Nahrung erkennen. Die Studie legt nahe, dass die Möglichkeit Polyamine mit dem Geschmacks- und Geruchssinn zu erkennen, das Überleben und die Vermehrung von Tieren beeinflusst hat.

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Polyamine sind kleine organische Verbindungen, die an grundlegenden Zellfunktionen wie der Zellteilung und dem Zellwachstum beteiligt sind. Eine Polyamin-Unterversorgung kann daher negative Folgen für die Gesundheit, kognitiven Fähigkeiten, Fruchtbarkeit, Reproduktion und die Lebenserwartung haben. Doch zu hohe Polyamin-Konzentrationen können schädlich sein. Die Polyaminversorgung des Körpers sollte daher zu den aktuellen Bedürfnissen passen: Während des Wachstums, bei Verletzungen oder bei erhöhten körperlichen Belastungen wie der Schwangerschaft ist der Bedarf besonders hoch. Einen Teil der benötigten Polyamine kann der Körper selbst oder mithilfe von Darmbakterien herstellen. Ein bedeutender Teil wird jedoch durch die Nahrung aufgenommen. So finden sich hohe Polyamin-Konzentrationen zum Beispiel in Orangen, reifem Käse aber auch in Tees und manchen Hülsenfrüchten. Da die Polyaminproduktion des Körpers im Alter abnimmt, wird die Polyaminaufnahme über die Nahrung mit der Zeit wichtiger.

Einige Polyamine tragen charakteristische Namen wie Cadaverin, Spermin oder Putrescin (lateinisch putridus bedeutet faulig). Was für uns Menschen und viele Tiere in höherer Konzentration unangenehm riecht und Gefahr signalisiert, ist in kleineren Mengen überlebenswichtig. Welche Rolle der Geruch und eventuell auch der Geschmack von Polyaminen bei der Nahrungswahl spielen, und wie die Moleküle überhaupt erkannt werden, war bislang unklar. "Die Wahrnehmung von Geruch und Geschmack ist in Fliegen und Menschen recht ähnlich", erklärt Ilona Grunwald Kadow, die eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie leitet. "Wir haben daher am Modell der Fruchtfliege untersucht, ob und wie die Tiere Polyamine wahrnehmen und was dies für sie bedeutet." Nun konnten die Neurobiologen zeigen, dass polyaminreiches Futter, wie zum Beispiel eine überreife Frucht, die Anzahl und das Überleben des Fliegennachwuchses deutlich erhöht.

Die Forscher beobachteten, dass Fliegen vom Polyamingeruch stark angezogen wurden. Weibliche Fliegen legten ihre Eier lieber auf polyaminreichen, älteren Früchten als auf frischer Frucht. "Also mussten die Fliegen die Polyamine wahrnehmen – nur wie?", erläutert Ashiq Hussain, einer der beiden Erstautoren der Studie, die zentrale Frage. Die Forscher fanden heraus, dass die Tiere nicht nur den Geruch wahrnahmen, sondern auch ihren Geschmackssinn nutzen, um polyaminreiche Futterquellen zu finden und zu untersuchen. Unter dem Mikroskop beobachteten die Wissenschaftler, welche Geschmacks- und Geruchszellen aktiv wurden, wenn die Fliegen Polyamine wahrnahmen. Zusammen mit Verhaltensstudien und genetischen Untersuchungen identifizierten sie dann drei Rezeptoren, über die die chemosensorischen Nervenzellen den Geruch und Geschmack von Polyaminen erkennen können.

Die Ergebnisse zeigen, dass Fliegen eine polyaminreiche Nahrungsquelle zunächst über die beiden Rezeptoren IR76b und IR41a anhand des Geruchs finden. Dort erkennen die Geschmacksnervenzellen über den IR76b-Rezeptor zusammen mit einem Bitter-Rezeptor die Qualität der gefundenen Polyamine. Ähnlich wie bei uns Menschen scheint eine zu hohe Polyamin-Konzentration die Fliegen eher abzuschrecken. Sie fraßen oder legten ihre Eier nur dann in polyaminreiches Futter, wenn zusätzlich vorhandene Futterkomponenten wie zum Beispiel Zucker den bitteren Geschmack der Polyamine überdeckten. "Ein guter Mechanismus, um die optimale Konzentration dieser Stoffe erkennen zu können", erklärt Ashiq Hussain.

Die drei Rezeptoren, die die Polyaminerkennung ermöglichen, gehören zu einer evolutionär sehr alten Klasse von Proteinen. Sie sind mit Rezeptoren verwandt, die die synaptische Aktivität von Nervenzellen kontrollieren. "Es könnte daher sein, dass das Erkennen von Polyaminen über diese Rezeptoren schon früh in der Entwicklungsgeschichte die Überlebenschancen von Tieren verbessert hat", fasst Mo Zhang, die zweite Erstautorin, die Bedeutung der Ergebnisse zusammen. "So konnten diese wichtigen Nahrungskomponenten gefunden und in der richtigen Menge aufgenommen werden." Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, ob auch Säugetiere Polyamine in der Nahrung erkennen und je nach Bedarf aufnehmen.  

 SM/HR

Wie Schwangerschaft die Wahrnehmung verändert

4. Mai 2016

In der Schwangerschaft verändern sich die Wahrnehmung und Reaktionen auf bestimmte Gerüche und Geschmäcker mitunter drastisch. Das ist auch bei Fliegen so. Was die Veränderung in der Wahrnehmung jedoch auslöst, ist weder bei Säugetieren noch bei Insekten verstanden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried konnten nun in Fruchtfliegen zeigen, dass die Konzentration eines bestimmten Rezeptors in den Sinnesorganen befruchteter Fliegenweibchen steigt. Dadurch wird der Geschmack und Geruch von wichtigen Nährstoffen, den Polyaminen, anders im Gehirn verarbeitet: Befruchtete Fliegen entscheiden sich für polyaminreiche Nahrung und steigern so ihren Reproduktionserfolg.

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Eine Schwangerschaft bedeutet eine enorme Herausforderung für den Organismus der Mutter. Um die heranwachsenden Nachkommen optimal zu versorgen und gleichzeitig die eigenen, gesteigerten Körperfunktionen aufrecht zu erhalten, muss sich die Ernährung auf die geänderten Anforderungen umstellen. "Wir wollten wissen, ob und wie eine werdende Mutter die benötigten Nährstoffe wahrnimmt", erklärt Ilona Grunwald Kadow, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Neurobiologie.

Polyamine sind Nährstoffe, die der Körper selbst und auch die Darmbakterien herstellen können. Ein Teil der benötigten Polyamine muss jedoch über die Nahrung aufgenommen werden. Mit fortschreitendem Alter wird die Aufnahme von Polyaminen mit der Nahrung immer wichtiger, da die körpereigene Produktion zurückgeht. Polyamine spielen in unzähligen Zellprozessen eine Rolle, sodass sich eine Polyamin-Unterversorgung negativ auf die Gesundheit, kognitiven Fähigkeiten, Reproduktion und Lebenserwartung auswirken kann. Doch auch zu viele Polyamine können schädlich sein. Die Polyaminaufnahme sollte daher an die aktuellen Bedürfnisse des Körpers angepasst sein.

Die Martinsrieder Neurobiologen konnten nun zeigen, dass Fruchtfliegenweibchen nach der Paarung Nahrung mit einem höheren Polyaminanteil bevorzugen. Eine Kombination aus Verhaltensstudien und physiologischen Untersuchungen ergab, dass die veränderte Anziehungskraft von Polyaminen auf Fliegen vor und nach der Paarung durch einen Neuropeptid-Rezeptor, den sogenannten Sex Peptid Rezeptor (SPR) und seine Neuropeptid-Bindungspartner ausgelöst wird. "Es war bekannt, dass der SPR die Eiproduktion in verpaarten Fliegen ankurbelt", erklärt Ashiq Hussain, einer der beiden Erstautoren der Studie. "Dass der SPR auch die Aktivität der Nervenzellen reguliert, die den Geschmack und Geruch von Polyaminen erkennen, hat uns überrascht."

In trächtigen Weibchen werden deutlich mehr SPR-Rezeptoren in die Oberflächen der chemosensorischen Nervenzellen eingebaut. Polyamine werden so bereits sehr früh in der Verarbeitungskette von Gerüchen und Geschmäckern verstärkt wahrgenommen. Die Bedeutung des Rezeptors zeigte sich, als die Forscher durch eine genetische Modifikation das SPR-Vorkommen in Geruchs- und Geschmacksneuronen nicht-trächtiger Weibchen steigerten: Diese Veränderung reichte aus, um die Nervenzellen von jungfräulichen Fliegen deutlich stärker auf Polyamine reagieren zu lassen. Letztendlich führte dies dazu, dass die Weibchen ihre Vorlieben änderten und wie ihre verpaarten Artgenossinnen die polyaminreiche Nahrungsquelle anflogen.

Die Studie zeigt erstmals einen Mechanismus, über den Trächtigkeit (oder Schwangerschaft) die chemosensorischen Nervenzellen modifizieren und so die Wahrnehmung wichtiger Nährstoffe und das Verhalten darauf verändern können. "Da Geruch und Geschmack in Insekten und Säugetieren ähnlich verarbeitet werden, könnte ein entsprechender Mechanismus auch bei uns Menschen dafür sorgen, dass das heranwachsende Leben optimal versorgt ist", vermutet Habibe Üc̗punar, die zweite Erstautorin der Studie. In einer parallel erscheinenden Studie konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, wie die wichtigen Polyamine von den Fruchtfliegen überhaupt wahrgenommen werden.

SM/HR

Entscheidungen im Fliegenhirn

20. August 2015

Eine frisch aufgebrühte Tasse Kaffee duftet für die meisten von uns herrlich. Einzelne Komponenten dieses Dufts können jedoch allein oder in einer anderen Kombination sehr abstoßend sein. Das Gehirn setzt die einzelnen Komponenten eines Dufts somit in Relation und beurteilt sie dann. Erst so ist eine fundierte Entscheidung, ob ein Duft und seine Quelle "gut" oder "schlecht" sind, möglich. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried haben entdeckt, wie widersprüchliche Gerüche im Pilzkörper des Gehirns einer Fruchtfliege verarbeitet werden. Die Ergebnisse weisen dieser Hirnregion eine neue Aufgabe zu und zeigen, dass Sinnesreize situationsbedingt bewertet werden. So können die Tiere schnell eine geeignete Entscheidung treffen.

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Sinneseindrücke sind meist komplex. So kommt zum Beispiel ein Geruchsstoff in der Regel in Kombination mit anderen Gerüchen vor – der Geruch der besagten Tasse Kaffee setzt sich beispielsweise aus über 800 Einzelgerüchen zusammen, darunter auch unangenehme Düfte. Für die Fruchtfliege Drosophila ist solch ein abstoßender Duft Kohlendioxid (CO2), das unter anderem von gestressten Fliegen abgegeben wird, um andere Fliegen zu warnen. Riechen die Tiere CO2, reagieren sie mit einem angeborenen Fluchtverhalten. Allerdings wird CO2 auch von überreifen Früchten produziert – einer begehrten Futterquelle. Fliegen auf Futtersuche müssen daher ihre angeborene CO2-Abneigung ignorieren können, wenn CO2 in Kombination mit Futterdüften vorkommt. Wie das Gehirn die einzelnen Sinneseindrücke vergleicht und je nach Situation einstuft, um zu einer sinnvollen Entscheidung zu kommen (hier: Futter oder Gefahr), ist bislang kaum verstanden.

"Die widersprüchliche Bedeutung von CO2 für Fruchtfliegen ist ein idealer Ansatzpunkt um zu erforschen, wie das Gehirn einzelne Sinneseindrücke je nach Situation richtig bewertet", sagt Ilona Grunwald Kadow. Zusammen mit ihrem Team am Max-Planck-Institut für Neurobiologie untersucht sie, wie das Gehirn Düfte verarbeitet und darauf aufbauend Entscheidung fällt. Nun konnten die Wissenschaftler zeigen, dass komplexere oder widersprüchliche Sinnesinformationen im Pilzkörper verarbeitet werden. Bislang galt dieses Hirnareal als Zentrum für Lernen und zum Speichern von Erinnerungen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass der Pilzkörper noch eine andere Aufgabe hat: Hier werden Sinneseindrücke lern- und erinnerungsunabhängig bewertet und schnelle Entscheidungen gefällt.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass CO2 im Nervennetzwerk, zu dem auch der Pilzkörper gehört, Nervenzellen aktiviert, die das Fluchtverhalten der Fliegen auslösen. Kommt CO2 jedoch zusammen mit Futterdüften vor, so erregen die Nervenzellen andere Nervenzellen, die den Botenstoff Dopamin ausschütten. Dopamin kommt bei vielen Tierarten und auch beim Menschen häufig in Verbindung mit positiven Erfahrungen vor. In den Fruchtfliegen tragen diese dopaminergen Nervenzellen die Information, dass neben CO2 auch Futterdüfte vorhanden sind, in den Pilzkörper, wo sie die angeborene CO2-Reaktion durch Hemmung der "Fluchtnervenzellen" unterdrücken.

"Interessanterweise führt die Erfahrung, dass CO2 regelmäßig auch zusammen mit Futterduft vorkommt nicht dazu, dass die Tiere für immer ihre CO2-Abneigung verlieren", erklärt Grunwald Kadow. Wird die Information zum Vorkommen von CO2 zusammen mit Futtergerüchen in das "Lernzentrum" Pilzkörper geleitet, findet eine sofortige Änderung des Verhaltens statt, jedoch keine dauerhafte Veränderung der negativen Bewertung von CO2. Dies gilt wahrscheinlich auch für andere Sinneseindrücke, zum Beispiel den Sehsinn. Das Ausbleiben einer dauerhaften Verhaltensänderung könnte für viele Situationen überlebenswichtig sein, spekulieren die Forscher: So löst der Geruch von Raubtieren zum Beispiel beim Menschen eine instinktive Furcht aus. Diese Furcht verlieren wir selbst dann nicht, wenn wir schon viele Raubtiere ohne Angst im Zoo gesehen haben. Auch hier scheint das Gehirn zu vergleichen und kommt, je nach den Umständen, zu anderen Schlussfolgerungen.

SM/HR

Hunger beeinflusst Entscheidungen und Risikoempfinden

25. Juni 2013

Hungrige Menschen sind häufig eher schwierige Zeitgenossen. Ein reichhaltiges Essen kann sich nicht nur auf die Stimmung, sondern auch auf unsere Risikobereitschaft auswirken. Auch im Tierreich ist dieses Phänomen für die verschiedensten Tierarten bekannt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München haben nun in der Fruchtfliege Drosophila gezeigt, dass Hunger nicht nur das Verhalten, sondern auch die Verarbeitungswege im Gehirn verändert.

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Ob und wie viel Nahrung vorhanden ist, beeinflusst entscheidend das Verhalten von Tieren. Studien belegen, dass die Risikobereitschaft vieler Tiere steigt oder sinkt, je nachdem ob ein Tier satt oder hungrig ist. So wird zum Beispiel gefährlichere Beute nur dann gejagt, wenn der Jäger kurz vor dem Verhungern steht. In den letzten Jahren wurde dieses Verhalten auch beim Menschen dokumentiert: In einer Studie gingen hungrige Probanden deutlich mehr finanzielle Risiken ein als ihre satten Kollegen.

Selbst die Fruchtfliege Drosophila verändert ihr Verhalten je nach ihrem Ernährungszustand. So  empfinden die Tiere meist schon geringe Mengen Kohlendioxid als Gefahrensignal und ergreifen die Flucht. Allerdings geben auch verrottende Früchte und Pflanzenteile – die Hauptfutterquellen der Fliegen – Kohlendioxid ab. Nun haben die Martinsrieder Neurobiologen herausgefunden, wie das Fliegenhirn mit dieser ständigen Konfliktentscheidung zwischen Gefahrstoff und Futtergeruch umgeht.

In verschiedenen Experimenten präsentierten die Wissenschaftler den Fliegen Umgebungen mit Kohlendioxid oder mit einem Kohlendioxid-Futterduft-Gemisch. Dabei zeigte sich, dass hungrige Fliegen ihre Kohlendioxid-Abneigung deutlich schneller überwanden als satte Fliegen – wenn gleichzeitig ein Futterduft vorhanden war. Besteht die Aussicht auf Futter, sind hungrige Tiere somit wesentlich risikofreudiger als satte Fliegen. Doch wie schafft es das Gehirn zwischen diesen Optionen zu wählen?

Das Vermeiden von Kohlendioxid ist ein angeborenes Verhalten und sollte daher außerhalb des sogenannten Pilzkörpers im Fliegenhirn erzeugt werden: Die Pilzkörper-Nervenzellen wurden bislang nur mit Lernen und Verhaltensweisen, die auf gelernten Assoziationen beruhen, in Verbindung gebracht. Als die Wissenschaftler diese Nervenzellen im Versuch jedoch vorübergehend inaktivierten, zeigten hungrige Fliegen keinerlei Reaktion mehr auf Kohlendioxid. Satte Fliegen vermieden Kohlendioxid hingegen unverändert.

In weiteren Untersuchungen identifizierten die Forscher darauf ein sogenanntes Projektionsneuron, welches die Kohlendioxid-Information zum Pilzkörper bringt. Diese Nervenzelle ist entscheidend, um in hungrigen, nicht aber in satten Tieren, eine Fluchtreaktion auszulösen. „Bei satten Fliegen reichen Nervenzellen außerhalb des Pilzkörpers aus, damit Fliegen vor Kohlendioxid fliehen. Bei hungrigen Tieren sind dagegen die Nervenzellen im Pilzkörper und das Projektionsneuron, das die Kohlendioxid-Information dorthin bringt, essentiell für die Fluchtreaktion. Daher stört ausschließlich hungrige Fliegen das Kohlendioxid nicht mehr, wenn der Pilzkörper oder das Projektionsneuron gehemmt werden“, erklärt Ilona Grunwald-Kadow, die Leiterin der Studie.

Die Ergebnisse zeigen, dass das angeborene Fluchtverhalten auf Kohlendioxid in Fruchtfliegen je nach ihrem Sättigungszustand von zwei parallelen neuronalen Schaltkreisen gesteuert wird. „Ist die Fliege hungrig, verlässt sie sich nicht mehr auf die "direkte Leitung", sondern benutzt Hirnzentren, mit denen sie interne und äußere Signale abwägen und eine ausgewogene Entscheidung treffen kann“, erklärt Grunwald-Kadow und fügt hinzu: „Es ist faszinierend, in welchem Ausmaß der Stoffwechsel und Hunger die verarbeitenden Prozesse im Gehirn beeinflussen.“

SM/HR