Laufen verändert Darmbakterien und Rezeptoren im Gedächtniszentrum des Gehirns

Eine neue Studie zeigt, dass Laufen die Darmbakterien verändert und einen wichtigen Rezeptor im Gedächtniszentrum des Gehirns verringert.

Damit erscheint Bewegung in einem neuen Licht: als Signal für den gesamten Körper, das über chemische Prozesse im Darm bis zum Gedächtnis reichen könnte.

Dem Zusammenhang auf der Spur

Bei erwachsenen Ratten, denen ein Laufrad zur Verfügung stand, zeigte sich dasselbe Muster im Darm, im Blutkreislauf und im Hippocampus.

Yvonne M. Nolan und ihr Team vom University College Cork (UCC) verfolgten diese miteinander verknüpften Veränderungen von veränderten Darmsignalen bis zu der für das Gedächtnis wichtigen Hirnregion.

Nach acht Wochen freiwilligen Laufens kamen die trainierenden Ratten im Durchschnitt auf etwa 5,3 Kilometer täglich, und die biologischen Befunde wiesen weiterhin in dieselbe Richtung.

Diese Übereinstimmung klärte zwar nicht jeden einzelnen Schritt des Signalwegs, lieferte jedoch überzeugende Hinweise auf einen verbundenen Darm-Hirn-Effekt, der genauer untersucht werden sollte.

Chemische Signale mit Bezug zur Gehirnfunktion

Im Darm der laufenden Ratten nahmen zwei Bakteriengruppen ab, während die meisten anderen stabil blieben.

Die Mengen von Alistipes und Clostridium sanken, obwohl beide eine wichtige Rolle bei der Bildung chemischer Signale spielen, die mit Stimmung und Gehirnfunktion verknüpft sind.

Wenn diese Bakterien weniger zahlreich sind, könnten mehr dieser Signale auf ihrem Weg durch den Körper einen anderen Verlauf nehmen.

Sollten die Veränderungen im Darm tatsächlich über die Verdauung hinauswirken, müssten sie sich auch im Blut zeigen.

Mikroben im Austausch mit dem Gehirn

Tryptophan ist hierbei bedeutsam, weil der Körper die Substanz in unterschiedliche Stoffwechselwege lenken kann, deren Folgen stark voneinander abweichen.

Ein Teil wird im Darm zur Herstellung von Serotonin verwendet; dieser lokale Vorrat gelangt jedoch nicht ins Gehirn, während Tryptophan selbst dies kann.

Andere Mikroben wandeln es in kleinere chemische Signale um, die durch den Körper reisen und mit Rezeptoren im Gehirn interagieren können.

Diese chemische Verzweigung verdeutlicht, weshalb Veränderungen der Darmbakterien relevant sein können, obwohl die Bewegung weit vom Gehirn entfernt stattfindet.

Veränderte Chemie im Blutkreislauf

Der Blutkreislauf lieferte den deutlichsten Hinweis darauf, dass Bewegung nicht nur die Zusammensetzung der Mikroben, sondern auch die Chemie verändert hatte.

Von mehreren Hundert chemischen Signalen im Blut veränderten sich lediglich sieben. Eines davon stand mit dem Abbau von Serotonin in Verbindung und nahm bei den Läufern zu.

Da das Molekül nur mit geringer Sicherheit identifiziert wurde, muss die genaue Verbindung noch zuverlässiger bestätigt werden.

Trotz dieser Einschränkung ließen die Blutbefunde die Erklärung, es handle sich lediglich um einen örtlich begrenzten Darmeffekt, weniger überzeugend erscheinen.

Veränderungen im Hippocampus

Im Gehirn zeigte sich die auffälligste Veränderung im Hippocampus, einer zentralen Region für die Gedächtnisbildung.

Dort verringerte Bewegung die Aktivität eines Rezeptors, der auf chemische Signale im dorsalen Bereich dieser Hirnregion reagiert.

Verwandte Gene verhielten sich nicht in gleicher Weise, wodurch der Rückgang des Rezeptors gezielter wirkt als eine umfassende Abschaltung.

Diese Spezifität gab dem Team ein enger gefasstes Ziel, um zu untersuchen, wie im Darm gebildete Chemikalien das Gehirn beeinflussen könnten.

Betroffen war nur eine Seite

Entscheidend ist, dass der Rückgang im dorsalen und nicht im unmittelbar benachbarten ventralen Bereich des Hippocampus auftrat.

Diese Unterscheidung ist relevant, weil der dorsale Bereich stärker am Gedächtnis beteiligt ist, während der ventrale Bereich eher mit Emotionen verbunden wird.

„Am meisten beeindruckte uns die Übereinstimmung der Belege über mehrere Analyseebenen hinweg“, sagte Nolan.

Frühere Untersuchungen an Mäusen verbanden mikrobielle Indole über denselben Rezeptor mit dem Wachstum neuer Nervenzellen im Hippocampus erwachsener Tiere und spiegeln damit das Rattenergebnis wider.

Mikroben übernahmen andere Aufgaben

Bewegung veränderte nicht allein die vorhandenen Mikroben, sondern auch die chemischen Funktionen, auf die ihre Gemeinschaft offenbar ausgerichtet war.

Muster der Darmmikroben deuteten darauf hin, dass innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft mehr dieser gehirnbezogenen chemischen Signale gebildet werden könnten.

Dies beweist nicht, dass die Mikroben diese Verbindungen bei Ratten tatsächlich produzierten, stützt jedoch die übergeordnete Tendenz, die sich in Blut und Gehirn zeigte.

Statt eines einzelnen ungewöhnlichen Messwerts ergab die Studie wiederholt dieselbe Aussage: Laufen ordnete ein chemisches Netzwerk neu.

Laufen und die Koordination des gesamten Körpers

Schon lange vor dieser Rattenstudie wurde aerobes Training bei älteren Erwachsenen mit größeren Hippocampi und besserem räumlichem Gedächtnis in Verbindung gebracht.

Diese älteren Befunde setzten beim Gehirn an; die neue Veröffentlichung ergänzt nun einen möglichen Weg über den Darm, der einen Teil des Nutzens erklären könnte.

Verwandte Rattenforschung zeigte im vergangenen Jahr, dass Laufen Verhaltensverluste abschwächen konnte, nachdem die Darmmikroben der Tiere gestört worden waren.

Zusammen mit den neuen Ergebnissen lässt dieser frühere Befund Bewegung weniger wie einen Trick für das Gehirn und mehr wie eine Koordination des gesamten Körpers erscheinen.

Grenzen der Studie

Mehrere wesentliche Einschränkungen machen die Ergebnisse vielversprechend, aber noch nicht endgültig – insbesondere für Gehirne, die über diese trainierten männlichen Ratten hinausgehen.

Es wurden keine Verhaltenstests durchgeführt; daher zeigte die Studie nicht unmittelbar, dass die Veränderung des Rezeptors Gedächtnis oder Stimmung verbesserte.

Die Sequenzierung der Bakterien reichte nur bis zur Gattungsebene, sodass verschiedene Arten innerhalb dieser Gruppen sehr unterschiedliche Wirkungen gehabt haben könnten.

Eine Blutverbindung wurde zudem mit geringer Sicherheit bestimmt, was daran erinnert, dass der Signalweg plausibel, aber noch nicht vollständig geklärt ist.

Das Laufen veränderte die Ratten vom Darm über das Blut bis zum Gehirn, wobei die Tryptophan-Chemie den stärksten roten Faden durch alle drei Ebenen bildete.

Dadurch wird ein Dauerlauf nicht zur Medizin, doch Forschende erhalten ein präziseres Ziel, um zu prüfen, wie Bewegung Gedächtnisschaltkreise umgestaltet.