Welche neuronalen Schaltkreise sind im Stoffwechsel involviert?

Die Regulation des Stoffwechsels und des Körpergewichts erfolgt über ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen und Hormonen, die den Appetit, die Nahrungsaufnahme und den Energieverbrauch steuern.

Die Hunger- und Sättigungsneuronen

Eine der wichtigsten Gehirnregionen für den Stoffwechsel ist der Hypothalamus. Hier befinden sich verschiedene Gruppen an Nervenzellen, die Signale über die Verfügbarkeit und den Bedarf an Nährstoffen senden. Eine wichtige Gruppe an Nervenzellen sind die sogenannten AgRP-Neuronen. Sie sind ausschließlich im Hypothalamus zu finden und regulieren vor allem das Appetitsgefühl. Hat ein Organismus über einen längeren Zeitraum keine Nahrung zu sich genommen, werden AgRP-Neurone aktiviert und schütten bestimmte Botenstoffe (Neurotransmitter) aus, genannt AgRP, GABA und NPY. Die Folge ist eine Erhöhung des Hungergefühls, welches schließlich die Aufnahme von Nahrung steigert. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch des Körpers gesenkt. Im Gegensatz dazu stehen POMC-Neurone, die sich ebenfalls im Hypothalamus befinden. Diese Neurone sind für das Sättigungsgefühl notwendig und hemmen den Appetit, während der Energieverbrauch des Körpers angekurbelt wird [Brüning & Fenselau, 2023].

Hormonelle Regulation des Appetits: Die Rolle von Leptin, Ghrelin und Insulin

Die Aktivität der AgRP- und POMC-Neuronen wird maßgeblich durch die Freisetzung unterschiedlicher Hormone beeinflusst. Dabei wirken die Hormone meist gegensätzlich auf Hunger- und Sättigungsneurone.

Hat ein Organismus genug Energie gespeichert und weist einen erhöhten Fettspeicher auf, wird Leptin von den Fettzellen des Körpers ausgeschüttet und ins Blut abgegeben. Das freigesetzte Leptin bindet an den Leptinrezeptor, welcher die Andockstelle des Leptins an Zellen ist. Diese endokrine Kommunikation hemmt die Hungerneuronen (AgRP-Neurone) und aktiviert die Sättigungsneuronen (POMC-Neurone). Leptin hemmt also die Nahrungsaufnahme und erhöht gleichzeitig den Energieverbrauch [Timper & Brüning, 2017].

Ghrelin, ein Hormon, das hauptsächlich im Magen gebildet wird [Kojima et al., 1999], hat genau die entgegengesetzte Wirkung auf die zwei Nervenzellgruppen. Während es die Aktivität der Hungerneuronen erhöht, führt es zur Hemmung der Sättigungshormone [Korbonits et al., 2004]. Somit wirkt ein erhöhter Ghrelinspiegel im Blut, der durch einen leeren Magen ausgelöst wird, appetitanregend.

Auch Insulin aus der Bauchspeicheldrüse kann den Stoffwechsel eines Organismus beeinflussen, indem es das Essverhalten verändert. Versuche an Mäusen haben gezeigt, dass das Fehlen von Insulinrezeptoren dazu führen kann, dass die Mäuse zu einer erhöhten Nahrungsaufnahme neigen und langfristig zu Insulinresistenz und Fettleibigkeit führen kann [Brüning et al., 2000].

Direkte und indirekte Interaktionen

Die Vernetzung zwischen AgRP- und POMC-Neuronen im Gehirn spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Nahrungsaufnahme. Die beiden Neuronengruppen interagieren miteinander, um das Gleichgewicht zwischen Hunger und Sättigung aufrechtzuerhalten. Die Aktivierung der Hungerneurone (AgRP-Neurone) infolge eines Hungerzustandes bewirkt durch die Freisetzung der Botenstoffe AgRP, NPY und GABA eine direkte Hemmung nachgeschalteten Sättigungsneurone. Umgekehrt führt die Aktivierung der Sättigungsneurone (POMC-Neurone) nach der Nahrungsaufnahme zur Freisetzung des Botenstoffes αMSH, der wiederum die Hemmung nachgeschalteter Sättigungsneurone aufhebt [Vicent et al., 2018]. Somit wird die Hemmung durch die AgRP-Neurone aufgehoben.

Auch die Hormone Leptin, Insulin und Ghrelin können sowohl direkt als auch indirekt auf die Hunger- und Sättigungsneuronen wirken. Direkt, indem sie an Rezeptoren auf den Neuronen selbst binden und so deren Aktivierung der Neurone beeinflussen. Indirekt, indem sie andere Neuronen, sogenannte Interneuronen, aktivieren, die ihrerseits die Aktivität der Hunger- und Sättigungsneuronen regulieren. Rezeptoren für Leptin und Insulin werden beispielsweise nur von wenigen POMC-Neuronen gebildet [Williams et al., 2010], so dass die Hormone hauptsächlich indirekt über die Bindung an Interneurone die Aktivität der Sättigungs- und Hungerneuronen regulieren [Cowley et al., 2001; Berglund et al., 2012].

Quellen:

• Berglund, E. D., Vianna, C. R., Donato, J., Kim, M. H., Chuang, J. C., Lee, C. E., ... & Elmquist, J. K. (2012). Direct leptin action on POMC neurons regulates glucose homeostasis and hepatic insulin sensitivity in mice. The Journal of clinical investigation, 122(3), 1000-1009.
• Brüning, J. C., Gautam, D., Burks, D. J., Gillette, J., Schubert, M., Orban, P. C., ... & Kahn, C. R. (2000). Role of brain insulin receptor in control of body weight and reproduction. Science, 289(5487), 2122-2125.
• Brüning, J. C., & Fenselau, H. (2023). Integrative neurocircuits that control metabolism and food intake. Science, 381(6665), eabl7398.
• Cowley, M. A., Smart, J. L., Rubinstein, M., Cerdán, M. G., Diano, S., Horvath, T. L., ... & Low, M. J. (2001). Leptin activates anorexigenic POMC neurons through a neural network in the arcuate nucleus. Nature, 411(6836), 480-484.
• Kojima, M., Hosoda, H., Date, Y., Nakazato, M., Matsuo, H., & Kangawa, K. (1999). Ghrelin is a growth-hormone-releasing acylated peptide from stomach. Nature, 402(6762), 656-660.
• Korbonits, M., Goldstone, A. P., Gueorguiev, M., & Grossman, A. B. (2004). Ghrelin—a hormone with multiple functions. Frontiers in neuroendocrinology, 25(1), 27-68.
• Timper, K., & Brüning, J. C. (2017). Hypothalamic circuits regulating appetite and energy homeostasis: pathways to obesity. Disease models & mechanisms, 10(6), 679-689.
• Vicent, M. A., Mook, C. L., & Carter, M. E. (2018). POMC neurons in heat: A link between warm temperatures and appetite suppression. PLoS Biology, 16(5), e2006188.
• Williams, K. W., Margatho, L. O., Lee, C. E., Choi, M., Lee, S., Scott, M. M., ... & Elmquist, J. K. (2010). Segregation of acute leptin and insulin effects in distinct populations of arcuate proopiomelanocortin neurons. Journal of Neuroscience, 30(7), 2472-2479.

Dieser Text wurde verfasst von Lisa Weiher.