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Bildhinweis: © Jennifer Altman

Bei Durst: Licht an!

Beyond Science

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Der US-Amerikaner Christopher Zimmerman erforschte in seiner Doktorarbeit, wie neuronale Strukturen das Trinkverhalten beeinflussen. Seine gewonnenen Erkenntnisse sind mittlerweile in die Lehrbücher eingeflossen.

Der menschliche Körper besteht zu 70 Prozent aus Wasser, genial austariert: Denn die Zellen können ihren Aufgaben nur nachgehen, wenn sie von dem exakten Volumen und der richtigen Konzentration an Wassermolekülen umgeben sind. Droht dieses feine System des Flüssigkeitshaushalts aus dem Gleichgewicht zu geraten, erreicht uns ein unmissverständliches Warnsignal – Durst!
Forschende gingen bis dato davon aus, dass ein im Gehirn angesiedeltes Durstzentrum das Kommando „Trinken” erteilt. Und dass dies nach einer Art negativem Feedback-System funktioniert, also Neuronen im Hirn Infos aus dem Blutkreislauf erhalten wie „Blut zu dick!” und darauf erst die Alarmglocken schrillen in unserer Denkzentrale.


Fragen über Fragen
Wo sich dieses Areal befindet, wusste man schon länger: im Subfornikalorgan des dritten Ventrikels. Indes, es blieben Ungereimtheiten. Und die betrafen nicht nur physiologische Fragen wie: Warum löscht ein kaltes Getränk den Durst schon im Mundraum, also noch bevor die Flüssigkeit den Blutstrom erreicht? Oder: Warum scheint der Durst bereits nach nur wenigen Schluck Wasser gestillt, obwohl die Menge noch gar nicht ausreichend sein kann? Auch simple Verhaltensweisen waren ungeklärt: Warum trinken Menschen (wie auch Tiere) stets etwas zu den Mahlzeiten?
Christopher Zimmerman hat insgesamt fünf Jahre mit der Enträtselung zugebracht und dafür mit Mäusen experimentiert. Wie gut, dass sich Mäuse beim Trinken ziemlich analog zu Menschen verhalten und auch ihre Hirnstrukturen vergleichbar sind. Seine Forschung mündete nicht nur im Doktortitel, sie wurde auch mehrfach prämiert. So erhielt der 31-jährige US-Amerikaner 2020 den renommierten „Eppendorf & Science Prize for Neurobiology” für junge Wissenschaftler, der mit 25.000 US-Dollar dotiert ist.
Bildhinweis: © Jennifer Altman
Auf der richtigen Spur
Dabei ist Zimmerman erst auf akademischen Umwegen zum Ziel gekommen: „Ich wollte Ingenieur werden, und ich mochte Biologie”, so schrieb er sich in Pittsburgh/Pennsylvania bei den Bioingenieurwissenschaften ein. Doch als er in einem Seminar Maschinen konstruieren sollte für Menschen, die Teile ihres Gehirns verloren hatten, begriff er: „Eigentlich interessiert mich ausschließlich, was im Gehirn vorgeht.” Zimmermans Forscherinstinkt war geweckt, und er switchte folgerichtig zu den Neurowissenschaften. In San Francisco/Kalifornien wurde er Teil des Teams von Zachary Knight, „dort habe ich gelernt, die richtigen Fragen zu stellen”. Und dort begann er sich auch mit dem Trinkverhalten auseinanderzusetzen.
Zimmerman fand heraus, dass die Neuronen im zerebralen Durstzentrum keineswegs Einzeltäter sind – sie agieren im Team und werden unterstützt von Zellen aus dem Körperinneren. Diese Zellen hat der Forscher sowohl in der Mund- und Rachenregion als auch im Bauchraum aufgespürt. Wie ist er dabei vorgegangen? Der junge Doktorand präparierte Mäuse, vielmehr: die Gehirne von Mäusen. Er nutzte dabei kleine fluoreszierende Proteine, die er mithilfe von Viren, sogenannten Vektoren, ins Durstzentrum einschleuste. Damit konnte er verfolgen, wann diese Nervenzellen aktiv werden. „Es kam mir vor, als ob ich plötzlich durch ein Guckloch ins Gehirn hineinlinsen konnte”, begeistert er sich.
Bildhinweis: © Jennifer Altman
Wissen als Belohnung
Die Mäuse, mit ihren kleinen Antennen auf dem Schädel, fungierten wie naive Funkamateure: Bekamen sie Durst, ging ein Licht an. Das Leuchten verriet dem Wissenschaftler auch, wann welche Neuronen kommunizieren. „Das sind die aufregendsten Momente”, erzählt Zimmerman, und dabei leuchten nun seine Augen, „wenn man in wenigen Augenblicken am Monitor begreift, wie etwas funktioniert, worüber man sehr lange nachgedacht hat.”
Dank der Arbeit von Zimmermans Team ist klar, dass die Neuronen im Hypothalamus noch von zwei anderen sensorischen Signalen im Körper flankiert werden, die übrigens rasend schnell unterwegs sind. Das erste Signal kodiert Botschaften über die Trinkmenge. Ob es sich um silikonhaltiges Öl oder Salzwasser handelt, spielt keine Rolle. „Daraus ergab sich die Frage, wo im Körper das Nervensystem kontrolliert, was man wirklich trinkt”, erklärt Zimmerman seinen Denkprozess.
Sein Team hatte eine Ahnung und präparierte nun auch den Bauchraum der Maus. Und bingo, es lag richtig: Das zweite Signal bezog seine Informationen aus den Eingeweiden. Es konnte eruieren, ob die Maus tatsächlich Wasser zu trinken bekommen hatte, und im Zweifel auch das erste Signal (aus dem Rachen) überstimmen für den Fall, dass es doch nur Öl gewesen sein sollte. Mehr noch, Zimmerman entdeckte, dass diese zwei neu dechiffrierten Signale, die aus dem Körperinneren Richtung Gehirn funkten, vorausschauend agieren, also die Hydration des Bluts vorhersagen und somit vorsorglich Durst regulieren können. Das erklärt etwa den Fakt, dass nach nur wenigen Schlucken das Durstgefühl erlischt, obwohl die Flüssigkeit noch gar nicht im Stoffwechsel angekommen sein kann.

Sichtbarer Forscherstolz
Mittlerweile sind Zimmermans Entdeckungen in die Lehrbücher eingeflossen. Als „bahnbrechend” bezeichnet er sie auf Nachfrage selbst, und ein klein wenig platzt der Forscherstolz aus seinen Worten. Das ist sichtbar, obwohl er sogar im Zoom-Interview Maske tragen muss. Die Maske selbst stört ihn übrigens nicht, er ist sie gewohnt, zumal er im Labor ständig mit Keimen hantiert. Schlimmer ist, dass die Labore coronabedingt geschlossen und die Mäuse euthanasiert werden mussten, kaum war Christopher Zimmerman an seinem neuen Arbeitsplatz in der Eliteuniversität von Princeton/New Jersey angekommen.
Doch, Wissenschaftler durch und durch, ehrgeizig, akribisch und sehr organisiert, hat er trotz Lockdown weiter an seiner Karriere gebastelt: Er liebt es, in alter Forscherliteratur zu schmökern und deren Fragestellungen nachzuvollziehen. Außerdem hat er sich neue Fertigkeiten angeeignet, zum Beispiel in Bezug auf Datenmengen.
Sein Forscherdasein empfindet der US-Amerikaner als „mental extrem herausfordernd“. Zwischendurch abschalten ist quasi Pflicht. Am besten gelingt ihm das in der Natur, beim Wandern und Klettern in den Bergen, gemeinsam mit seiner Frau, die ebenfalls Wissenschaftlerin ist. „Sie erforscht den Weltraum – das ist viel cooler“, lacht Zimmerman.

MEHR ERFAHREN?

Hier geht’s zur Website mit mehr Informationen über Christoper Zimmermann.