D2-MSNs in the nucleus accumbens core are the primary factor limiting forced treadmill running

Für viele ist die Vorstellung von Bewegung ein Kampf zwischen dem Wunsch des Körpers, sich zu bewegen, und dem Widerstand des Geistes gegen die Anstrengung. Während einige Menschen aus reinem Vergnügen laufen, befinden sich andere nur deshalb auf einem Laufband, weil sie das Gefühl haben, dass sie es müssen, was oft zu einem Gefühl des Grauens führt, das sie aufgeben lässt, noch bevor sie wirklich erschöpft sind. Wissenschaftler wissen schon lange, dass das Gehirn ein Belohnungssystem besitzt, ein Netzwerk von Zellen, das entscheidet, ob eine Handlung gut oder schlecht empfunden wird, aber der präzise Mechanismus, der einem Menschen sagt, aufzuhören, wenn die Aktivität erzwungen und unangenehm ist, blieb ein Rätsel. Diese Frage bewegt sich an der Schnittstelle zwischen körperlicher Gesundheit und Neurowissenschaft und untersucht, warum das Gehirn manchmal als Torwächter fungiert und die Bewegung unterbindet, selbst wenn die Muskeln noch fähig wären, weiterzumachen.

Ein Team von Forschern der East China Normal University und des Shanghai Mental Health Center hat nun einen spezifischen neuronalen Schaltkreis entdeckt, der offenbar als dieser Torwächter fungiert. Durch die Untersuchung von Mäusen auf einem Laufband entdeckten sie, dass eine bestimmte Gruppe von Zellen in einer tief liegenden Hirnregion namens Nucleus accumbens dafür verantwortlich ist, dem Körper das Stoppsignal zu geben. Diese Region ist dafür bekannt, Motivation und Emotionen zu verarbeiten, aber die Forscher fanden heraus, dass nicht das gesamte Gebiet entscheidend ist, sondern ein spezifisches Subgebiet und ein spezifischer Zelltyp innerhalb dessen. Als die Mäuse zum Laufen gezwungen wurden, wurden diese Zellen hyperaktiv und sendeten ein starkes Signal, das dem Tier effektiv befahl, aufzuge zu geben.

Um zu verstehen, wie dies funktioniert, mussten die Wissenschaftler zuerst beobachten, was in den Gehirnen von Mäusen geschah, die zwei Wochen lang gezwungen wurden, auf einem Laufband zu laufen. Sie verglichen diese Mäuse mit anderen, die einfach auf einem stationären Laufband saßen, ohne sich zu bewegen. Unter Verwendung einer Technik, die aktive Gehirnzellen aufleuchten lässt, beobachteten sie, dass die erzwungenen Läufer eine signifikante Zunahme der Aktivität innerhalb eines speziellen Zelltyps, eines sogenannten D2-Medium Spiny Neuron, zeigten. Diese Zellen befinden sich im Nucleus accumbens, einem Zentrum für Motivation, aber die Forscher bemerkten etwas Entscheidendes: Die Aktivität war nicht gleichmäßig über das gesamte Zentrum verteilt. Sie konzentrierte sich auf einen kleinen Abschnitt, der als „Core“ (Kern) bekannt ist, während ein benachbarter Abschnitt, die „Shell“ (Hülle), viel weniger Veränderungen aufwies. Dies deutet darauf hin, dass der Core der spezifische Ort war, an dem das Gehirn die Unangenehmheit des erzwungenen Trainings verarbeitete.

Das Team schaute dann tiefer, um zu sehen, wie sich diese aktiven Zellen verhielten. Sie entnahmen winzige Schnitte von Mäusegewebe und maßen die elektrischen Signale der D2-Medium Spiny Neuronen im Core. Sie fanden heraus, dass diese Neuronen nach zwei Wochen erzwungenen Laufens viel erregbarer geworden waren. Sie feuerten elektrische Impulse häufiger ab und erhielten stärkere erregende Signale aus anderen Teilen des Gehirns. Im Gegensatz dazu zeigten dieselben Arten von Neuronen in der Shell-Region keine solchen Veränderungen. Dies deutet darauf hin, dass das erzwungene Training die Verschaltung und die Sensibilität der Zellen im Core physisch verändert hatte, was sie empfindlicher für den Stress der Aktivität machte.

Um zu beweisen, dass diese spezifischen Zellen tatsächlich die Mäuse zum Aufhören brachten, führten die Forscher ein präzises Experiment durch. Sie nutzten eine Methode namens Chemogenetik, um die Aktivität von genau diesen D2-Medium Spiny Neuronen im Core vorübergehend auszuschalten. Sie injizierten den Mäusen ein Virus, das es ermöglichte, diese Zellen durch eine einfache Medikamenteninjektion auszuschalten. Als sie den Mäusen vor einem maximalen Ausdauertest das Medikament verabreichten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Die Mäuse, bei denen das „Stoppsignal“ ausgeschaltet worden war, konnten deutlich längere Strecken und über einen längeren Zeitraum laufen, bevor Erschöpfung eintrat, im Vergleich zu den Kontrollmäusen. Das Medikament machte die Mäuse nicht schneller oder stärker; es entfernte lediglich die interne Bremse, die ihnen befahl, aufzuhören.

Die Forscher überprüften auch, ob das Medikament selbst oder der Injektionsprozess die Ursache für die Verbesserung war. Sie führten dieselben Tests an Mäusen durch, die eine harmlose Injektion erhalten hatten, und diese Mäuse zeigten keine Veränderung ihrer Lauffähigkeit. Dies bestätigte, dass die verlängerte Ausdauer direkt auf das Ausschalten der spezifischen Neuronen im Core zurückzuführen war. Die Studie legt nahe, dass unter normalen Umständen, wenn ein Tier gezwungen wird, etwas Unangenehmes zu tun, diese Neuronen im Core des Nucleus accumbens überaktiv werden. Sie fungieren als zentrale Bremse, die den Stress und den Mangel an Vergnügen als Grund interpretiert, aufzuhören, was den Körper vor Überanstrengung schützt, aber auch zum Abbruch der Übung führt.

Diese Entdeckung verdeutlicht einen grundlegenden Unterschied zwischen der Art und Weise, wie das Gehirn freiwillige Bewegung gegenüber erzwungener Bewegung handhabt. Wenn ein Mensch oder ein Tier sich entscheidet, sich zu bewegen, fördert das Belohnungssystem des Gehirns dieses Verhalten. Aber wenn die Bewegung erzwungen wird, übernimmt ein anderer Pfad, der speziell die D2-Medium Spiny Neuronen im Core des Nucleus accumbens betrifft. Sie übersetzen das Gefühl der Abneigung in einen Befehl zum Aufhören. Die Studie behauptet nicht, das Problem der Therapietreue beim Sport beim Menschen gelöst zu haben, noch deutet sie darauf hin, dass es eine einfache Pille gibt, die Menschen dazu bringt, gerne zu laufen. Sie liefert jedoch eine klare biologische Erklärung dafür, warum sich erzwungtes Training so schwierig aufrechtzuerhalten anfühlt. Sie identifiziert einen spezifischen neuronalen Mechanismus, der die Ausdauer begrenzt, und bietet ein neues Ziel für die zukünftige Forschung darüber, wie man Menschen helfen kann, die Schwierigkeiten haben, eine sportliche Routine beizubehalten – insbesondere jenen, die aus gesundheitlichen Gründen dazu gezwungen sind, aber es an der inneren Motivation mangelt, dranzubleiben.