Neuronale Schaltkreise bei der Entscheidungsfindung Dem Bauchgefühl im Fliegenhirn auf der Spur

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Wir sind nicht frei in unseren Entscheidungen. Zumindest präferieren wir bestimmte Gerüche und Geschmäcker aufgrund angeborener Vorlieben. Wenn wir uns, dem „Bauchgefühl“ folgend, für oder gegen etwas entscheiden, sind bestimmte neuronale Schaltkreise im Gehirn beteiligt. Diese Aktivitätsmuster hat ein Forscherteam nun im Modellorganismus Drosophila genauer untersucht.

Weihenstephan – Gut oder schlecht ist oft Auslegungssache. Doch in der Natur sind sich die meisten Lebewesen einig, was gut riecht oder schmeckt: Sie haben eine angeborene Duft- und Geschmackspräferenz. Attraktive Düfte sind beispielsweise mit lebenswichtiger Nahrung verknüpft. Bei weniger attraktiven Düften – zum Beispiel bei verdorbenen Speisen – wissen Tier und Mensch 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.

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Vorgänge im Gehirn verstehen

Um mehr über die Vorgänge im Belohnungssystem zu erfahren, ist Grundlagenforschung unabdingbar. Ilona Grunwald Kadow, Professorin für Neuronale Kontrolle des Metabolismus an der TUM School of Life Sciences am Standort Weihenstephan, forscht dazu mit ihrem Team an der Fliege Drosophila melanogaster. Diese ist ein typisches und oft genutztes Modell in der Hirnforschung, da bei ihr die neuronalen Netze um einiges einfacher aufgebaut sind als beim Menschen und genetische Tricks es erlauben, die Rolle von einzelnen Netzwerkkomponenten gezielt ein- und auszuschalten oder zu verändern. „Dopamin spielt im Gehirn von Menschen und Insekten eine sehr ähnliche Rolle“, sagt die Wissenschaftlerin. So können die Forscher anhand der Fliegen die Prinzipien neuronaler Schaltkreise verstehen, die auch der Funktion komplexerer Gehirne zugrunde liegen.

Dopamin-produzierende Neuronen untersucht

Zu den am intensivsten untersuchten Signalen im Gehirn gehört der Botenstoff Dopamin. Er ist sowohl in kognitive als auch in grundlegendere Funktionen involviert. So spielt er nicht nur bei Motivation, Entscheidungsfindung und Lernen, zielorientiertem Verhalten, motorischer Kontrolle und Bewegung eine wichtige Rolle, sondern auch bei Basisfunktionen wie Fortpflanzung und Übelkeit.

Wie Dopamin zu den verschiedenen Aspekten der Funktion und des Verhaltens der neuronalen Schaltkreise beiträgt, ist noch eine offene Frage. Es wird aber 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 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.

Richtungsweiser im Gehirn

Wie Navigationsneurone Entscheidungen lenken

Hirnaktivität spiegelt Präferenzen des Organismus wider

Mithilfe dieser Methode zeigte das Forschungsteam, 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“, erläutert Grunwald Kadow.

Individuelle Vorlieben von Tier zu Tier

Überrascht hat die Forscher, 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 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, Current Biology, 30, 2104–2115, June 8, 2020; DOI: 10.1016/j.cub.2020.04.037

* Dr. K. Baumeister-Krojer, Technische Universität München (TUM), 85748 Garching b. München

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