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Wie entsteht Freundschaft im Gehirn?
Klar: Die Darstellung, dass ein Hormon ein so komplexes Verhalten wie Freundschaft auslösen kann, ist recht vereinfacht. Viel mehr ist Oxytocin Teil eines vielschichtigen Systems. Und dieses System beginnen Forscherinnen und Forscher erst zu verstehen.
Oxytocin ist ein ringförmiges Peptidhormon. Das heisst, es besteht aus einer zusammenhängenden Kette von Aminosäuren (Bausteine von Proteinen). Um genau zu sein, sind es 9 Aminosäuren, darunter zwei Cysteine, die ein Schwefelatom am Ende ihrer Seitenkette aufweisen.
Quelle: keywordsuggest.org/gallery/492874.html
Steckbrief
- Molekulargewicht: 1007.19g/mol
- Schmelzpunkt: 192-194°C
- Löslichkeit: Hydrophil
- Aggregatszustand: lyophilisiertes Pulver
- Entdeckung: 1906 durch Henry Dale
- Erste Synthese: 1953 durch Vincent de Vegneaud (erhielt dafür den Nobelpreis für Chemie 1955)
Die Schwefelatome können miteinander eine kovalente Bindung, eine sogenannte Disulfidbrücke eingehen. Daher hat Oxytocin eine starrere 3D-Struktur, was eine spezifische Bindung an seinen Rezeptor - OTRX - erleichtert. Diese Rezeptoren befinden sich aber nicht nur im Gehirn, sondern unter anderem auch im Uterus oder im Herzen. Dass OTRX in so vielen Organen zu finden ist, ermöglicht erst die breite Palette an Aufgaben, die Oxytocin wahrnimmt.
Doch: Wie kommt Oxytocin überhaupt an die vielen verschiedenen Orte im menschlichen Körper? Oxytocin wird im Hypothalamus hergestellt, von da aus gibt es zwei Möglichkeiten für den weiteren Transport:
- Erstens kann Oxytocin in sekretorischen Vesikeln (Membrankügelchen in der Zelle) verpackt in die Hypophyse transportiert werden. Die Hypophyse ist eine etwas erbsengrosse Hormondrüse an der Basis des Gehirns. Dort kann Oxytocin auf einen Reiz hin ins Blut abgegeben werden, von wo es in den Rest des Körpers gelangt und ausserhalb des zentralen Nervensystems (Gehirn und Rückenmark) seine periphere Wirkung (Extremitäten und Rumpf) entfaltet.
- Zweitens führen die Axone (langer, verästelter Fortsatz) der Neuronen aus dem Hypothalamus auch in andere Hirnareale, wie z.B. die Amygdala, wo Oxytocin von chemischen Synapsen (Ende eines Axons) abgegeben wird. Wenn es an OTRX in der Postsynapse (Oberfläche der nächsten Nervenzelle) bindet, kann es dort die Erregbarkeit des Postneurons (nächste Nervenzelle) erhöhen.
So wird Oxytocin im Hirn ausgeschüttet. Hypothalamus: gelbe Zellen / Hypophysenhinterlappen: grüne Zellen.
Quelle: Baribeau, D. A. and E. Anagnostou (2015). "Oxytocin and vasopressin: linking pituitary neuropeptides and their receptors to social neurocircuits." Front Neurosci 9: 335.
Oxytocin ist also nicht nur ein Hormon, sondern auch ein Neurotransmitter. Oxytocin wirkt aber auch nicht allein, viel mehr muss man sich vorstellen, dass Oxytocin in ein Netzwerk aus ganz vielen Botenstoffen eingebettet ist, und dass jeder einzelne Effekt des Oxytocins aus der Kombination dieser Botenstoffe resultiert. So aktiviert die Kombination aus Dopamin und Oxytocin eine Art soziales Belohnungssystem, das kooperatives Verhalten fördert.
Oxytocin kann auch die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse hemmen, die die Stressantwort vermittelt. Diese Stressbewältigung funktioniert jedoch nur in Gegenwart von Östradiol. Zusätzlich hängt die Wirkung von Oxytocin nicht nur von der Zusammensetzung des Hormon-Cocktails ab, denn je nachdem wieviel OTRX in der Membran der Zielzelle vorhanden ist, kann das Signal mit derselben Menge Oxytocin stärker oder schwächer ausfallen. Wobei die Anzahl der Rezeptoren vom Östrogenspiegel abhängt, da dies an die DNA binden kann und so die Produktion von OTRX steigert.
Da die Wirkung des Oxytocins so stark vom individuellen Hormonspiegel beeinflusst wird, ist es kein Wunder, dass der Effekt des Oxytocins auch vom Geschlecht abhängt. Unabhängig vom Geschlecht, löst Oxytocin aber auch nicht in jeder Zelle dieselbe Antwort aus. Die zelltypische Wirkung lässt sich durch den molekularen Mechanismus von Oxytocin erklären.
Oxytocin besitzt einen massgeschneiderten Rezeptor, in den nur Oxytocin passt. Man kann sich das so wie einen Schlüssel vorstellen, der nur in ein Schloss passt. Der Rezeptor OTRX ist – genauso wie das Oxytocin – sehr alt. Er hat sich aber im Laufe der Evolution kaum verändert. Das ist meistens ein Zeichen dafür, dass etwas überlebensnotwendig ist, da es sonst zu Mutationen gekommen wäre.
Quelle: Zingg, H. H. and Laporte, S. A. (2003). “The oxytocin receptor.“ Trends in Endocrinology & Metabolism 14 (5): 222-227
Der Rezeptor sitzt in der Membran der Zielzellen. Wenn Oxytocin an seinen Rezeptor bindet, bewirkt dies eine Änderung in der 3D-Struktur des Rezeptors. Der Rezeptor kann aber nicht nur Oxytocin binden, er hat auch einen molekularen Schalter. Wenn der Rezeptor nun seine Form ändert, wird der Schalter umgelegt. Das aktiviert gleichzeitig zwei Helferproteine, die jetzt in der gesamten Zielzelle andere Signale auslösen, man kann sich das wie das Lostreten einer Lawine vorstellen. In Nervenzellen ist eine Folge dieser Signallawine, dass sich die elektrische Spannung der Membran ändert, es fliesst also ein elektrischer Strom durch die Membran.
Nervenzellen kommunizieren durch diesen Stromfluss mit ihren Nachbarn. Oxytocin kann also indirekt Kommunikation zwischen Nervenzellen auslösen. Und unsere Gefühle und Gedanken sind zumindest teilweise durch die Kommunikation zwischen unseren Nervenzellen erklärbar. Das bedeutet man hat einen Teil der Antwort gefunden, wie Oxytocin beeinflusst, wie wir fühlen und denken.
Für Schnellleser:
Mittlerweile hat man herausgefunden, wie Oxytocin aussieht: Es ist ein ringförmiges Molekül, das aus neun Aminosäuren (Bausteine der Proteine) besteht. Es wird von Zellen im Hypothalamus (Hirnareal, welches den Hormonhaushalt steuert) produziert. Von dort aus gelangt es in den Rest des Gehirns oder über das Blut in alle anderen Organe, wo es seine Wirkung entfaltet. Oxytocin hat sehr viele Aufgaben, die kann es nur in Kombination mit anderen Botenstoffen erfüllen.
Viele Faktoren haben einen Einfluss darauf, wie Oxytocin wirkt, darunter auch der Hormonspiegel oder das biologische Geschlecht. Es wurde auch untersucht, wie das Oxytocin-Signal in die Zelle übermittelt wird. Denn man hat den Rezeptor für Oxytocin gefunden. Wenn Oxytocin an den Rezeptor andockt, ändert der seine Form und löst so eine Art Signallawine in der Zelle aus. Diese Signallawine kann bewirken, dass unsere Nervenzellen anfangen zu feuern. Dies kann erklären, wie Oxytocin beeinflusst, wie wir denken und fühlen.
Warum nutzen wir das Freundschaftshormon nicht als Medikament?
Bild: Joshua Coleman, Unsplash
Oxytocin wirkt vielfältig: Das Molekül verstärkt bzw. Wehen, steigert den Milchfluss oder verringert den Blutdruck und den Cortisolspiegel. Bei dieser Vielfältigkeit ist es erstaunlich, dass das riesige pharmakologische Potential bis anhin nur sehr beschränkt genutzt wurde. So wird es beispielsweise für das Auslösen von Wehen oder für den Milchfluss verabreicht.
Erst in jüngerer Zeit forschen Wissenschaftler zur Anwendungsbereichen von Oxytocin bei psychischen Erkrankungen. Eine Studie beschäftig sich bzw. mit der Auswirkung von Oxytocinabgaben auf den Verlauf von Angstherapien. 1 Bei Angstpatienten wird oft die schrittweise Konfrontation mit der gefürchteten Situation oder Objekt angewandt. Diese Konfrontation wird solange geübt, bis der Patient lernt, dass für ihn keine Gefahr besteht – ein langer und schwieriger Prozess.
Die Studie hat nun den Verlauf der Therapie zwischen zwei Gruppen untersucht. Die Eine erhielt nasal Oxytocin verabreicht, die andere ein Placebo. Die Forscherinnen massen nun, wie schnell die Angst bei den Probanden wieder abklang. Dabei zeigte sich, dass die Gruppe, die Oxytocin verabreicht bekam, die Angst schneller wieder überwand. Die Studie zeigt damit einen interessanten neuen Ansatz zur Unterstützung von Angsttherapien auf der Basis von Oxytocin.
Eine andere Forschungsgruppe beschäftigte sich mit der Auswirkung von Oxytocin bei Autisten. Die Grundidee dieser Arbeit war: Wenn Oxytocin die Bindungen zwischen Menschen positiv beeinflusst beeinflusst, könnte man es dann für Autisten nutzen, die Mühe haben mit sozialen Interaktionen? Das Paper beschäftigte sich mit der Frage, wie sich die Interaktion mit und Reaktion auf Menschen verändert, wenn den autistischen Probanden Oxytocin verabreicht wurde. Es zeigte sich, dass die Probanden nach der Gabe von Oxytocin verstärkte soziale Interaktionen zeigten, so zum Beispiel länger Augenkontakt hielten und von einem verstärkten Vertrauen gegenüber anderen berichteten.
Diese beiden Studien zeigen exemplarisch, dass die Anwendungsgebiete von Oxytocin als Medikament breiter sind als bisher praktiziert. Man darf gespannt sein, was noch alles in diesem Molekül steckt.
Für Schnellleser:
Oxytocin wird bereits als Medikament verwendet, jedoch nur auf physischer Ebene zur Auslösung/Verstärkung von Wehen. Da Oxytocin aber auch auf psychologischer Ebene zu wirken scheint, bietet es sich auch als Psychopharmaka an. Erste Studien zeigen einen helfenden Effekt bei der Behandlung von Angststörungen und Autismus.
Fazit: Freundschaft – alles nur Chemie?
Biologen und Chemikerinnen können Freundschaft beschreiben: von der sozialen Gruppe bis zur molekularen Ebene, sozusagen. Und obwohl bereits so viel bekannt ist, befriedigen die Erkenntnisse unsere Neugier doch nicht ganz. Wir haben es gesehen: Der Effekt von Oxytocin ist sehr vielschichtig. Die bisher bekannten Mechanismen erklären einige der Effekte von Oxytocin auf unsere Physiologie, unser Gehirn und auch auf Freundschaft. Und bei dieser Komplexität des Oxytocin-Systems ist es leicht vorstellbar, dass Freundschaft ein Phänomen ist, dass für jede und jeden ein kleines bisschen anders ist.
Es wird noch einige Generationen ambitionierter Wissenschaftler brauchen, bis man Freundschaft durch und durch wissenschaftlich erklären kann. Dies setzt natürlich voraus, dass menschliches Verhalten nur auf Naturgesetzen basiert, was es schliesslich vorhersagbar machen würde. Aber ganz abgesehen von dieser kühnen Vision, kann man das derzeit schon verfügbare Wissen nutzen, um Störungen in diesem komplexen Netzwerk zu verstehen und zu behandeln. Wie zum Beispiel bei Angstzuständen oder Autismus.
Wenn wir Freundschaft in Zukunft noch genauer verstehen wollen, müssen interdisziplinäre Ansätze gefunden werden. Denn in der modernen Wissenschaft gibt es kaum noch ein Forschungsgebiet auf dem eine Disziplin allein zum Ziel kommt, nur wer über den eigenen wissenschaftlichen Tellerrand hinausschaut, kann der Komplexität unserer Realität wirklich Rechnung tragen.
Zu den Autoren:
Nils hat während seiner Kantizeit selbst zweimal an der Bio-Olympiade teilgenommen. Er studiert seit 2015 Biologie an der ETH Zürich. Da er seine Begeisterung für Wissenschaft gerne weitergeben möchte, ist er mittlerweile aktives Mitglied der Olympiade. Dort arbeitet er seit 2017 hinter den Kulissen und betreut die Praktika der Finalwoche-Woche.
Julia hat selber mehrmals an der Chemieolympiade teilgenommen und studiert heute Kriminalistik an der Universität Lausanne. hre Begeisterung für Chemie ist ungebrochen, weshalb sie sich weiterhin für die Chemieolympiade engagiert.
Literatur:
1 Die Studie wird gemeinsam vom Bonner Uniklinikum, dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg und der Universität Chengdu in China durchgeführt.
Baribeau, D. A. and E. Anagnostou (2015). "Oxytocin and vasopressin: linking pituitary neuropeptides and their receptors to social neurocircuits." Front Neurosci 9: 335.
Gimpl, G. and F. Fahrenholz (2001). "The oxytocin receptor system: structure, function, and regulation." Physiol Rev 81(2): 629-683.
Kosfeld M, Heinrichs M, Zak PJ, Fischbacher U, Fehr E, (2005) Oxytocin increases trust in humans. Nature 435:673–676.
Macdonald, K. and T. M. Macdonald (2010). "The peptide that binds: a systematic review of oxytocin and its prosocial effects in humans." Harv Rev Psychiatry 18(1): 1-21.
Viero, C., I. Shibuya, N. Kitamura, A. Verkhratsky, H. Fujihara, A. Katoh, Y. Ueta, H. H. Zingg, A. Chvatal, E. Sykova and G. Dayanithi (2010). "REVIEW: Oxytocin: Crossing the bridge between basic science and pharmacotherapy." CNS Neurosci Ther 16(5): e138-156.
Oxytocin Facilitates the Extinction of Conditioned Fear in Humans, Fachjournal „Biological Psychiatry“, DOI: 10.1016/j.biopsych.2014.10.015