Tests an der Taufliegenlarve zeigen: Geschmackszellen können verschiedene Stimuli gleichzeitig wahrnehmen. Die revolutionäre Entdeckung des Teams um Prof. Simon Sprecher stösst ein Dogma um und öffnet neue Wege in der Hirnforschung.
Ein stiller Moment an einem Kindergeburtstag: Jungen und Mädchen mit verbundenen Augen testen sich durch verschiedene Geschmäcker. Wer am meisten Nahrungsmittel richtig «erschmeckt», der gewinnt. Ein Kinderspiel, könnte man denken. Tatsächlich ist es aber auch im Erwachsenenalter nicht einfach, ohne die Hilfe unserer anderen Sinne einen Geschmack zu erraten. Das Gehirn benutzt zu einer ersten Einschätzung von Geschmacksträgern sogenannt spezialisierte Geschmacksneuronen. Wer sich jetzt eine klar in «süss», «sauer», «salzig» oder auch «bitter»unterteilte Kompanie an Nervenzellen vorstellt, der liegt, nach neuesten Erkenntnissen, wohl falsch.
Dem Geschmack auf der Spur
Geschmacksrezeptoren haben die (überlebens-) wichtige Aufgabe, uns zu informieren, ob ein Lebensmittel verträglich ist, wie dessen chemische Zusammensetzung aussieht oder ob es etwa gar giftig sein könnte. Doch wie funktioniert die Wahrnehmung von Geschmack? Das Team um Prof. Simon Sprecher, Molekularbiologe und Gehirnforscher an der Universität Freiburg, wollte genau dies herausfinden und benutzte dafür die Larve der Taufliege (Drosophila melanogaster), die mit ihren rund 30 Geschmacksrezeptoren am Vorderkopf ein handliches Modell liefert. Für einen ersten Versuch entwickelten die Forschenden einen sogenannten Mikrofluidik-Chip von der Grösse eines Mikroskop-Objektträgers. Er besteht aus einem Rohr, in dessen Mitte Forschende den Kopf der Drosophila einführen, um anschliessend Flüssigkeit auf der einen Seite des Rohrs einzuflössen. Das Wasser fliesst so am Kopf der Larve vorbei und wird auf der anderen Seite des Rohrs wieder abgezogen. Die Forschenden testeten auf diese Weise alle fünf Geschmacksrichtungen, die auch der Mensch erkennt: «salzig», «süss», «bitter», «sauer» und «umami» – Letzteres ist das, was wir als schmackhaft empfinden.
Unerwartetes Resultat
Je nach Stimulus, der von den Forschenden dem Wasser beigefügt wurde, reagierte das Hirn der Larve durch Aufleuchten des markierten Rezeptors. Überraschend dabei: Die Rezeptoren, hier insbesondere das C7-Neuron, haben nicht nur bei einem Geschmack angezeigt, sondern bei verschiedenen. Wider erwarten leuchtete das C7-Neuron bei Stimuli aus allen Geschmacksrichtung erstaunlich spezifisch und konsistent. Gleichzeitig unterschied die Nervenzelle aber zwischen süss und süss: Saccharose und Glycerose verzeichneten eine hohe neuronale Aktivität, auf Fruktose und Glukose beispielsweise reagierte C7 überhaupt nicht. Dasselbe gilt für salzige oder bittere Chemikalien wie Denatonium und Chinin, die eine hohe Aktivität auslösten. In einem weiteren Schritt wurden unspezifische Reaktionen aufgrund von pH-Wert oder Osmolarität ausgeschlossen. So wurde beispielsweise Saccharose mit einem pH-Wert von 4, 6 und 9 getestet – mit gleichbleibendem Resultat.
Kopfschütteln gibt’s nicht
Durch das genetische Einfärben einer spezifischen Geschmackszelle konnten die Forschenden also beobachten, wie verschiedene Flüssigkeiten vom immer gleichen Rezeptor aufgenommen wurden. Dass ein einziges Neuron – jenes, das Capsaicin im Pfeffer codiert – sowohl für Hitze wie für Schärfe verantwortlich zeichnet, war schon bekannt. Dass ein Neuron aber gleichzeitig beispielsweise die Geschmacksrichtungen«süss» und «bitter» wahrnehmen kann ist revolutionär. Die Ergebnisse legen nahe, dass auch beim Säugetier oder sogar beim Menschen bisher unerwartete Geschmackszellen existieren könnten. Diese Art der Geschmacksempfindung wiederum stellt die Frage, wie eine solche multimodale Information vom Gehirn verarbeitet wird, da so ein Neuron vermutlich nicht zwischen «bitter» und «süss» unterscheiden kann.
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Lebenserhaltende Wirkung
In einem zweiten Schritt wollte das Forschungsteam herausfinden, was den Larven schmeckt. Da diese nicht einfach den Kopf schütteln oder nicken können, testeten die Forschenden, ob die künstliche Deaktivierung des C7-Neurons die Larven zu einer bestimmten Geschmacksrichtung hinzieht – oder eben nicht. Die Drosophila-Larven kamen in Petrischalen, deren eine Hälfte Agarose mit Geschmack enthielt und die andere Agarose ohne Geschmack. Schnell wurde ersichtlich, dass die Aktivierung oder Deaktivierung von C7 einen Einfluss auf die Wahrnehmung und Vermeidung von Bitterstoffen wie Denatonium und Chinin hat. Bei der Wahrnehmung und dem entsprechenden Verhalten gegenüber Saccharose ändert sich nach einer Deaktivierung des Rezeptors nichts. Eine künstliche Aktivierung des C7 lässt also vermuten, dass dieses Neuron Information vermittelt, die zu einem vermeidenden Verhalten führen kann. Da Bitterstoffe in Nahrungsmitteln im natürlichen Umfeld in der Regel auf eine Gefahr hindeuten, schliessen die Forschenden auf eine lebenserhaltende Wirkung des C7-Neurons. Inwiefern dies auch auf die Menschen zutrifft, ist noch nicht klar.
Einfach und fortpflanzungswillig
Die Larve der Drosophila dient der Hirnforschung als einfacher Organismus, um die komplexen Interaktionen zwischen Neuronen besser zu verstehen. Sie verfügt über rund 30 Geschmackszellen, was im Vergleich zu den Millionen von Zellen beim Menschen sehr überschaubar ist. Von ausgewachsenen Drosophila wissen wir überdies, dass sie mehr Geschmäcker unterscheiden als wir Menschen. Neben den fünf für Menschen geltenden Geschmacksrichtungen nehmen die Fliegen zusätzlich den Wassergehalt von Nahrungsmitteln wahr.
Die Komplexität des Menschlichen Gehirns ist gleichzeitig eine der grössten Hürden, um dieses zu verstehen. Mit über 100 Milliarden Zellen und bis zu 1000 Mal mehr Verbindungen wird es in den kommenden Jahrzehnten kaum möglich sein, es vollständig zu erforschen. Das Gehirn der Fruchtfliege oder deren Larve ist um ein vielfaches einfacher, kann aber unglaublich komplizierte Aufgaben lösen. Mit nur etwa 2000 Neuronen ist man derzeit daran, alle Neuronen und deren Verbindungen zu identifizieren. Zusammen mit der Möglichkeit einzelne Zellen genetisch zu untersuchen ergibt sich eine realistische Chance, ein komplettes Gehirn zu verstehen. Da grundsätzlich die meisten Prozesse in der Fliege und dem Menschen identisch oder sehr ähnlich ablaufen, werden wir dank der Forschung an der Fliege viel über uns selbst erfahren.
__________Simon Sprecher ist Professor am Departement für Biologie.
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