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Wie EPO im Gehirn wirkt

Körpereigenes "Dopingmittel" fördert Neubildung und Vernetzung von Nervenzellen

Gehirn
EPO veranlasst im Gehirn offenbar die Neubildung und Vernetzung von Nervenzellen. © metamorworks/ istock

Leistungssteigerung fürs Denkorgan: Das als Dopingmittel bekannte Erythropoietin (EPO) entfaltet seine Wirkung auch im Gehirn. Wie Experimente mit Mäusen enthüllen, wird der Botenstoff dort vermehrt bei besonders starker kognitiver Belastung ausgeschüttet. Als Folge vernetzen sich die Nervenzellen effektiver miteinander – und es werden sogar neue Gehirnzellen gebildet. Das Signal für die EPO-Produktion gibt dabei ein leichter Sauerstoffmangel in den Zellen.

Erythropoietin (EPO) ist ein berüchtigtes Dopingmittel. Doch das Hormon kommt auch natürlicherweise im menschlichen Körper vor. Es wird ausgeschüttet, wenn im Organismus Sauerstoffmangel herrscht, und regt dann unter anderem die Bildung neuer roter Blutkörperchen an. Dadurch verbessert sich die Sauerstoffaufnahme und als Folge die körperliche Leistungsfähigkeit.

Bei Erwachsenen wird EPO hauptsächlich in der Niere gebildet – das ist seit langem bekannt. „Überraschenderweise haben Forscher EPO und seinen Rezeptor später aber auch im Gehirn nachgewiesen“, erklären Debia Wakhloo vom Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen und ihre Kollegen. Dort scheint der Wachstumsfaktor ebenfalls eine schützende und leistungssteigernde Wirkung zu entfalten, wie Erfahrungen aus der Praxis nahelegen.

Motorische Herausforderung für Mäuse

„Die Gabe von EPO verbessert die Regeneration nach einem Schlaganfall und verringert so die Schäden im Gehirn. Patienten mit Störungen der geistigen Leistungsfähigkeit, die wir mit EPO behandelt haben, sind zudem deutlich leistungsfähiger“, berichtet Wakhloos Kollegin Hannelore Ehrenreich. Dieser Effekt sei zum Beispiel von Menschen mit Schizophrenie, Depression oder Multipler Sklerose bekannt.

Wie aber lässt sich diese Wirkung erklären? Oder anders gefragt: Was verursacht Erythropoietin genau in unserem Denkorgan? Um dies herauszufinden, haben die Wissenschaftler nun Experimente mit Mäusen durchgeführt. Für ihre Studie ließen sie zunächst erwachsene Mäuse auf Laufrädern trainieren – unter erschwerten Bedingungen, denn die Speichen der Räder waren in unregelmäßigen Abständen angeordnet. Der Hintergrund: „Das Laufen in diesen Rädern erfordert das Erlernen komplexer Bewegungsabläufe, die für das Gehirn eine besondere Herausforderung sind“, erklärt Ehrenreich.

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Mit EPO lernt es sich schneller

Würde eine EPO-Behandlung beeinflussen, wie die Nager diese Aufgabe bewältigten? Die Ergebnisse enthüllten: Nachdem die Tiere den Wachstumsfaktor verabreicht bekommen hatten, erlernten sie die für die Laufräder erforderlichen Bewegungen schneller. Darüber hinaus waren sie deutlich belastbarer.

Weitere Untersuchungen lieferten die Erklärung für diesen Effekt. So stellten die Forscher fest, dass die Mäuse nach der Behandlung rund 20 Prozent mehr Nervenzellen in der sogenannten Pyramidenschicht des Hippocampus bildeten – einer für Lernen und Gedächtnis entscheidenden Hirnregion. „Außerdem vernetzten sich die Nervenzellen besser und schneller mit anderen Nervenzellen und tauschten dadurch effizienter Signale aus“, berichtet Ehrenreich.

Leichter Sauerstoffmangel als Auslöser

Erythropoietin scheint im Gehirn demnach die Neubildung und Vernetzung von Nervenzellen zu fördern. Doch unter welchen Bedingungen wird der Botenstoff dort überhaupt ausgeschüttet? Auch dies fanden die Forscher bei ihren Experimenten heraus: Wie vom Rest des Körpers bekannt, steht die Freisetzung von EPO im Gehirn mit einem Mangel an Sauerstoff in Verbindung.

Dazu kommt es offenbar, wenn Nervenzellen beim Lernen komplexer Aufgaben mehr Sauerstoff benötigen, als ihnen normalerweise zur Verfügung steht. Der so verursachte leichte Sauerstoffmangel dient in den Zellen als Signal zur vermehrten EPO-Ausschüttung. Im Experiment kam es schon nach wenigen Stunden unter erschwerten Bedingungen im Laufrad zur vermehrten Expression dieses Botenstoffs und seiner Rezeptoren, wie das Team berichtet.

„Selbstverstärkender Prozess“

„Es handelt sich hierbei um einen selbstverstärkenden Prozess: Geistige Anstrengung führt zu leichter Hypoxie, die wiederum die Produktion von EPO und seinen Rezeptoren in den entsprechend aktiven Nervenzellen anregt. EPO steigert anschließend die Aktivität dieser Nervenzellen, bewirkt die Bildung neuer Nervenzellen aus benachbarten Vorläuferzellen und erhöht deren komplexe Vernetzung“, fasst Ehrenreich die Ergebnisse zusammen.

Interessant ist dabei, dass Sauerstoffmangel der gängigen Annahme nach etwas Schädliches ist. „Jüngere Betrachtungen ziehen aber auch potenziell nützliche Effekte und Schutzfunktionen in Betracht. Unsere Daten legen nahe, dass Hypoxie als Antriebskraft für neuronale Plastizität fungieren kann“, konstatieren die Forscherin und ihre Kollegen.

Gezielte Leistungssteigerung?

Gibt es den nun entschlüsselten Wirkkreislauf auch beim Menschen, könnte dies erklären, warum das Lernen neuer, anspruchsvoller Fähigkeiten unsere geistige Fitness erhöhen kann. Inwieweit dabei jedoch zusätzliches Erythropoietin helfen kann, ist unbekannt. Auf ein „Hirndoping“ mittels EPO sollte man daher besser verzichten.

Gleichzeitig untermauern die Befunde der Forscher jüngere Erkenntnisse, nach denen sich auch noch im erwachsenen Gehirn neue Nervenzellen bilden können. „Die Generierung von Pyramidenneuronen aus bestehenden Vorläuferzellen durch EPO-Einfluss stellt womöglich einen bisher übersehenen Aspekt der adulten Neurogenese dar“, erklärt das Team. (Nature Communications, 2020; doi: 10.1038/s41467-020-15041-1)

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

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