Zusammenfassung: Kognitiver Verfall wird oft als ein Problem angesehen, das im Gehirn beginnt und endet, doch neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich die „Fernbedienung“ für das Gedächtnis tatsächlich im Darm befindet. Wissenschaftler fanden heraus, dass sich das Darmmikrobiom von Mäusen mit zunehmendem Alter verändert, wobei sich insbesondere eine Bakterienart namens Parabacteroides goldsteinii durchsetzt. (Vgl. Nature)

Diese Verschiebung löst eine Entzündungsreaktion im Darm aus, die den Vagusnerv, die wichtigste Kommunikationsverbindung zum Gehirn, stilllegt. Diese Stilllegung „betäubt“ den Hippocampus gewissermaßen, was zu Gedächtnisverlust führt. Bemerkenswerterweise gelang es den Forschern durch die Stimulation des Vagusnervs oder die Wiederherstellung des Darmmikrobioms, „vergessliche“ alte Mäuse wieder zu geistig fitten Tieren zu machen – ein Beweis dafür, dass kognitives Altern nicht fest verdrahtet ist und über den Verdauungstrakt rückgängig gemacht werden kann.

Wichtige Fakten:

• Die Störung der Interozeption: Das Altern beeinträchtigt die „Interozeption“ – die Fähigkeit des Gehirns, wahrzunehmen, was im Körper vor sich geht. Eine Störung der Signalübertragung zwischen Darm und Gehirn ist eine direkte Ursache für den altersbedingten Gedächtnisverlust.
• Der bakterielle Übeltäter: Die Bakterienart Parabacteroides goldsteinii vermehrt sich mit zunehmendem Alter und setzt Stoffwechselprodukte frei, die Entzündungen im Darm auslösen und die Aktivität des Vagusnervs blockieren.
• Die Uhr zurückdrehen: Die Stimulation des Vagusnervs bei älteren Mäusen stellte deren Gedächtnis und räumliche Orientierungsfähigkeit auf das Niveau von zwei Monate alten Mäusen wieder her, was zeigt, dass die „Gehirnalterung“ von der Peripherie aus moduliert werden kann.

Der Anblick eines köstlichen Tellers Lasagne oder der Duft eines Festtagsschinkens lassen hungrige Mägen vor Vorfreude auf das bevorstehende Festmahl garantiert knurren. Doch obwohl wir alle schon einmal das Gefühl erlebt haben, mit Augen und Nase zu „essen“, noch bevor das Essen den Mund erreicht, ist weit weniger über die Informationsautobahn bekannt, die als Vagusnerv bezeichnet wird und Signale in die entgegengesetzte Richtung sendet – vom Darm direkt ins Gehirn.

Diese Signale vermitteln mehr als nur, was Sie gegessen haben und wann Sie satt sind. Eine neue Studie an Mäusen von Forschern der Stanford Medicine und des Arc Institute mit Sitz in Palo Alto, Kalifornien, hat einen entscheidenden Zusammenhang zwischen den Bakterien, die in Ihrem Darm leben, und dem kognitiven Verfall, der häufig mit dem Altern einhergeht, festgestellt.

„Obwohl Gedächtnisverlust mit zunehmendem Alter häufig auftritt, betrifft er Menschen unterschiedlich und in unterschiedlichem Alter“, sagte Dr. Christoph Thaiss, Assistenzprofessor für Pathologie.

„Wir wollten verstehen, warum manche hochbetagte Menschen kognitiv fit bleiben, während bei anderen bereits in den Fünfzigern oder Sechzigern ein deutlicher Rückgang einsetzt. Wir haben herausgefunden, dass der zeitliche Verlauf des Gedächtnisverlusts nicht fest vorgegeben ist; er wird im Körper aktiv gesteuert, und der Magen-Darm-Trakt ist ein entscheidender Regulator dieses Prozesses.“

Die Studie an Mäusen zeigte, dass sich die Zusammensetzung der natürlich vorkommenden Bakterienpopulation im Darm, das sogenannte Darmmikrobiom, mit zunehmendem Alter verändert – wobei bestimmte Bakterienarten gegenüber anderen begünstigt werden.

Diese Veränderungen werden von Immunzellen im Magen-Darm-Trakt registriert, die eine Entzündungsreaktion auslösen, welche die Fähigkeit des Vagusnervs beeinträchtigt, Signale an den Hippocampus zu senden – jenen Teil des Gehirns, der für die Gedächtnisbildung und die räumliche Orientierung zuständig ist.

Die Stimulierung der Aktivität des Vagusnervs bei älteren Tieren verwandelte alte, vergessliche Mäuse in scharfsinnige Genies, die sich an neue Objekte erinnern und ebenso flink aus Labyrinthen entkommen konnten wie ihre jüngeren Artgenossen.

„Das Ausmaß der Umkehrbarkeit des altersbedingten kognitiven Abbaus bei den Tieren allein durch die Veränderung der Darm-Hirn-Kommunikation war eine Überraschung“, sagte Thaiss. „Wir neigen dazu, Gedächtnisverlust als einen dem Gehirn innewohnenden Prozess zu betrachten. Diese Studie zeigt jedoch, dass wir die Gedächtnisbildung und die Gehirnaktivität verbessern können, indem wir die Zusammensetzung des Magen-Darm-Trakts verändern – eine Art Fernbedienung für das Gehirn.“

Thaiss, der auch als leitender Forscher am Arc Institute in Palo Alto tätig ist, ist einer der leitenden Autoren der Studie, die am 11. März in Nature veröffentlicht wird. Maayan Levy, PhD, Assistenzprofessor für Pathologie und Innovationsforscher am Arc Institute, ist der andere leitende Autor. Timothy Cox, Doktorand an der University of Pennsylvania, ist der Erstautor der Studie.

„Unsere Studie unterstreicht, dass Prozesse im Gehirn durch periphere Eingriffe moduliert werden können“, sagte Levy. „Da der Magen-Darm-Trakt oral leicht zugänglich ist, ist die Modulation der Konzentration von Metaboliten des Darmmikrobioms eine sehr vielversprechende Strategie zur Steuerung der Gehirnfunktion.“

Der Impuls kommt aus dem Inneren des Körpers

Die Vorstellung, dass sich Hunderte von Bakterienarten gemütlich in unserem Darm eingenistet haben, war früher überraschend. Doch das Darmmikrobiom erlebt derzeit eine Art Medienboom, da den Menschen bewusst wird, dass seine Funktion nicht nur für die Verdauung unserer Nahrung, sondern auch für unsere allgemeine Gesundheit von entscheidender Bedeutung ist.

Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt zeigten Forscher, dass Eingriffe in das Darmmikrobiom von Nagetieren das soziale und kognitive Verhalten der Tiere beeinflussten. Thaiss und Levy fragten sich, ob ein ähnlicher Prozess für den Gedächtnisverlust und die kognitiven Probleme verantwortlich sein könnte, die oft mit dem Altern einhergehen.

Signale aus dem Körperinneren an das Gehirn – wie jene, die über den Vagusnerv vom Darm zum Gehirn gelangen – sind Teil dessen, was als Interozeption bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu werden Signale von außerhalb des Körpers, die hauptsächlich über die fünf Sinne Geschmack, Tastsinn, Geruch, Sehen und Hören vermittelt werden, als Exterozeption bezeichnet.

„Exterozeption ist im Grunde genommen die Art und Weise, wie wir die Außenwelt wahrnehmen“, sagte Thaiss. „Wir verfügen über detailliertes Wissen darüber, wie dies funktioniert. Aber wir wissen viel weniger darüber, wie das Gehirn wahrnimmt, was im Körper vor sich geht. Wir wissen nicht, wie viele innere Sinne es gibt oder was sie überhaupt alles wahrnehmen. Es ist klar, dass unsere exterozeptiven Fähigkeiten mit zunehmendem Alter nachlassen – wir benötigen beispielsweise zunehmend Brillen und Hörgeräte. Und diese Studie zeigt, dass das Altern auch die Interozeption beeinflusst.“

Um ihre Theorie zu überprüfen, dass das Darmmikrobiom eine Rolle bei den „Senioren-Momenten“ spielt, die viele von uns erleben, hielten die Forscher junge (2 Monate alte) Mäuse zusammen mit alten (18 Monate alten) Mäusen. Durch das Leben (und die Ausscheidungen) in unmittelbarer Nähe wurden die jungen Mäuse den Darmmikrobiomen der alten Mäuse ausgesetzt und umgekehrt. Nach einem Monat untersuchten die Forscher die Zusammensetzung der Mikrobiome der alten und jungen Tiere.

Sie stellten fest, dass die gemeinsame Unterbringung dazu führte, dass die Mikrobiome der jungen Mäuse denen der älteren Tiere stärker ähnelten. Als sie die Fähigkeiten der Mäuse verglichen, ein neues Objekt zu erkennen oder den Ausgang in einem Labyrinth zu finden, schnitten die jungen Mäuse mit „alten“ Mikrobiomen deutlich schlechter ab als ihre Artgenossen – sie zeigten weniger Neugierde gegenüber dem unbekannten Objekt und stolperten ähnlich wie alte Tiere durch das Labyrinth.

Als die Forscher junge Mäuse mit alten Mäusen verglichen, die seit ihrer Geburt in einer keimfreien Umgebung aufgezogen worden waren (was bedeutet, dass keine der beiden Gruppen über Darmbakterien verfügte), behielten die jungen Mäuse ihre Fähigkeit zur Gedächtnisbildung bei. Als sie jedoch jungen, keimfreien Mäusen Mikrobiome von alten Mäusen transplantierten, zeigten die jungen Mäuse in den Gedächtnis- und Kognitionstests erneut Leistungen, die denen älterer Tiere entsprachen. Interessanterweise zeigten die keimfreien alten Mäuse mit zunehmendem Alter keinen Verlust an Gedächtnis und kognitiven Fähigkeiten und schnitten genauso gut ab wie zwei Monate alte Tiere.

Auffallend war, dass die Behandlung junger Mäuse mit „alten“ Mikrobiomen (und damit nachlassenden kognitiven Fähigkeiten) mit Breitbandantibiotika über zwei Wochen hinweg die kognitiven Fähigkeiten der Tiere wiederherstellte, sodass sie unbekannte Objekte eifrig untersuchten und ebenso wie ihre Artgenossen in der Kontrollgruppe durch das Labyrinth huschten.

„Der Objekterkennungstest ähnelt kognitiven Erkennungstests beim Menschen, bei denen man eine Reihe von Bildern gezeigt bekommt und sich nach einiger Zeit daran erinnern muss, welche man zuvor gesehen hat“, sagte Thaiss.

„Und der Labyrinth-Test ist vergleichbar mit Menschen, die versuchen, sich daran zu erinnern, wo sie ihr Auto in einem großen Einkaufszentrum geparkt haben. Was diese Aufgaben bei Mäusen und Menschen gemeinsam haben, ist, dass sie sehr stark von der Aktivität im Hippocampus abhängen, denn dort werden Erinnerungen gespeichert.“

Was ist in ihrem Darm anders?

Bei näherer Untersuchung identifizierten die Forscher spezifische Veränderungen, die sich mit zunehmendem Alter in der Zusammensetzung des Darmmikrobioms von Mäusen vollziehen. Insbesondere nimmt die relative Häufigkeit eines Bakteriums namens Parabacteroides goldsteinii bei alten Mäusen zu und steht in direktem Zusammenhang mit dem kognitiven Verfall der Tiere.

Sie zeigten, dass die Besiedlung des Darms junger Mäuse mit dieser Bakterienart deren Leistung bei Aufgaben zur Objekterkennung und zur Flucht aus einem Labyrinth beeinträchtigte und dass dieses Defizit mit einer verminderten Aktivität im Hippocampus korrelierte.

Als sie alte Mäuse jedoch mit einem Molekül behandelten, das den Vagusnerv aktiviert, war die kognitive Leistungsfähigkeit der Tiere nicht mehr von der junger Tiere zu unterscheiden.

Weitere Experimente zeigten, dass die zunehmende Verbreitung des Bakteriums Parabacteroides goldsteinii mit einer steigenden Menge an Metaboliten korrelierte, die als mittelkettige Fettsäuren bezeichnet werden, und dass diese Metaboliten eine Gruppe von Immunzellen im Darm, die sogenannten myeloiden Zellen, dazu veranlassen, eine Entzündungsreaktion auszulösen. Diese Entzündung hemmt die Aktivität des Vagusnervs, die Aktivität des Hippocampus und die Fähigkeit, dauerhafte Erinnerungen zu bilden.

„Der Magen-Darm-Trakt ist wohl das erste Organsystem, das sich im Laufe der menschlichen Evolutionsgeschichte entwickelt hat, daher wurde die Entwicklung kognitiver Prozesse im Gehirn zweifellos durch Signale aus dem Darm geprägt“, sagte Levy. „Es ist wahrscheinlich, dass Signale aus dem Magen-Darm-Trakt eine wichtige Rolle bei der Kontextualisierung der Gedächtnisbildung spielen.“

Thaiss fügte hinzu: „Im Grunde haben wir einen dreistufigen Weg hin zum kognitiven Verfall identifiziert, der mit der Alterung des Magen-Darm-Trakts und den daraus resultierenden mikrobiellen und metabolischen Veränderungen beginnt.

Die myeloiden Zellen im Magen-Darm-Trakt nehmen diese Veränderungen wahr, und ihre Entzündungsreaktion beeinträchtigt die Verbindung zwischen Darm und Gehirn über den Vagusnerv. Dies ist ein direkter Auslöser für den Gedächtnisverlust. Und wenn wir die Aktivität des Vagusnervs wiederherstellen, können wir die Gedächtnisfunktion eines alten Tieres auf das Niveau eines jungen Tieres zurückbringen.“

Die Forscher untersuchen nun, ob beim Menschen ein ähnlicher Zusammenhang zwischen Darmmikrobiom und Gehirnaktivität besteht und ob dieser ebenfalls zum altersbedingten kognitiven Verfall beiträgt. Wichtig ist, dass die Vagusnervstimulation von der Food and Drug Administration als Behandlung von Depressionen oder Epilepsie sowie zur Unterstützung der Genesung nach einem Schlaganfall zugelassen ist. Die Forscher sind zudem daran interessiert, Methoden zu entwickeln, um die Aktivität peripherer Neuronen nicht-invasiv zu überwachen und möglicherweise sogar zu steuern, um so die Gedächtnisbildung und die kognitiven Funktionen zu beeinflussen.

„Wir hoffen, dass diese Erkenntnisse letztendlich in die klinische Praxis übertragen werden können, um den altersbedingten kognitiven Verfall bei Menschen zu bekämpfen“, sagte Thaiss.

Antworten auf zentrale Fragen:

F: Kann meine „Darmgesundheit“ wirklich darüber entscheiden, ob ich unter Gedächtnislücken leide?

A: Ja! Diese Studie hat ergeben, dass der Darm als Regulator für das Gehirn fungiert. Wenn sich Ihre Darmbakterien mit zunehmendem Alter verändern, verursachen sie Entzündungen, die den Vagusnerv „dämpfen“. Wenn das Gehirn die Signale aus dem Darm nicht mehr empfangen kann, hat der Hippocampus (Ihr Gedächtniszentrum) Schwierigkeiten, neue Erinnerungen zu bilden.

F: Ist die „Gehirnalterung“ dauerhaft?

A: Nicht unbedingt. Das Überraschendste an der Stanford-Studie war, dass der kognitive Rückgang bei Mäusen reversibel war. Durch die Stimulation des Vagusnervs oder die Beseitigung „alter“ Darmbakterien mit Antibiotika gelang es den Forschern, alte Mäuse genauso scharfsinnig und neugierig wie junge zu machen.

F: Bedeutet das, dass ich Probiotika für mein Gedächtnis einnehmen sollte?

A: Zwar gibt es noch keine spezifischen „Gedächtnis-Probiotika“, doch untersuchen die Forscher, wie die Modulation von Darmmetaboliten die Gehirnfunktion steuern könnte. Da der Darm leicht zugänglich ist, sind „orale Interventionen“ zur Steigerung der geistigen Leistungsfähigkeit ein wichtiges Ziel für zukünftige klinische Studien am Menschen.

Quelle: Neuroscience News

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