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.

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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.

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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.“

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