Körpereigenes Epo-Doping untersucht Wie Sauerstoffmangel das Gehirn anregt

Als Dopingmittel setzt man Erythropoietin, kurz Epo, zur Leistungssteigerung ein. Der Wachstumsfaktor wird aber auch selbst vom Körper produziert und fördert die Gehirnleistung. Wie dieser Prozess abläuft und warum ein leichter Sauerstoffmangel im Gehirn die Vernetzung der Nervenzellen fördert, haben Max-Planck-Forscher aus Göttingen herausgefunden.

Querschnitt durch den Hippocampus einer Maus. Nach der Gabe von Erythropoietin weisen die Tiere mehr Nervenzellen in dieser für Lernen und Gedächtnis zentralen Gehirnregion auf. (Bild: MPI f. Psychiatrie)

Göttingen – Erythropoietin ist ein Wachstumsfaktor, der unter anderem die Produktion von roten Blutkörperchen anregt. So fördert es bei Anämie-Patienten die Blutbildung. Darüber hinaus wird der hochpotente Wirkstoff auch zur illegalen Leistungssteigerung im Sport eingesetzt.

„Die Gabe von Epo verbessert die Regeneration nach einem Schlaganfall und verringert so die Schäden im Gehirn. Patienten mit Störungen der geistigen Leistungsfähigkeit im Rahmen von Schizophrenie, Depression, Bipolarer Erkrankung oder Multipler Sklerose, die wir mit Epo behandelt haben, sind zudem deutlich leistungsfähiger“, sagt Hannelore Ehrenreich vom Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin. Die Wissenschaftlerin erforscht zusammen mit ihren Kollegen seit Jahren die Rolle von Epo im Gehirn.

Gedopte Mäuse lernen schneller

Ehrenreich und ihr Team haben nun in Tierversuchen an Mäusen systematisch untersucht, welcher körpereigene Mechanismus der höheren Leistungsfähigkeit des Gehirns nach Epo-Gabe zugrunde liegt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass erwachsene Mäuse nach der Verabreichung des Wachstumsfaktors 20 Prozent mehr Nervenzellen in der Pyramidenschicht des Hippocampus bilden, einer für Lernen und Gedächtnis entscheidenden Hirnregion. „Außerdem vernetzen sich die Nervenzellen besser und schneller mit anderen Nervenzellen und tauschen dadurch effizienter Signale aus“, sagt Ehrenreich.

Die Forscher ließen die Mäuse auf Laufrädern trainieren, deren Speichen in unregelmäßigen Abständen angeordnet waren. „Das Laufen in diesen Rädern erfordert das Erlernen komplexer Bewegungsabläufe, die für das Gehirn eine besondere Herausforderung sind“, erklärt die Forscherin. Die Resultate belegen, dass die Mäuse nach einer Epo-Behandlung die für die Laufräder erforderlichen Bewegungen schneller lernen. Die Nager sind darüber hinaus deutlich belastbarer.

Angestrengte Nervenzellen brauchen mehr Sauerstoff

Den Göttinger Wissenschaftlern war nun das Verständnis der Mechanismen wichtig, welche diese Effekte erklären. Sie wollten der physiologischen Bedeutung des Epo-Systems im Gehirn auf die Spur kommen.

In einer Reihe gezielter Experimente belegten sie, dass Nervenzellen beim Lernen komplexer motorischer Aufgaben mehr Sauerstoff benötigen, als ihnen normalerweise zur Verfügung steht. Der dadurch entstehende leichte Sauerstoffmangel (relative Hypoxie) liefert in den Nervenzellen das Signal zur vermehrten Epo-Produktion. „Es handelt sich hierbei um einen selbstverstärkenden Prozess: Geistige Anstrengung führt zu leichter Hypoxie, von uns als ‚funktionelle Hypoxie‘ bezeichnet, die wiederum die Produktion von Epo und seinen Rezeptoren in den entsprechend aktiven Nervenzellen anregt“, erklärt Ehrenreich. „Epo steigert anschließend die Aktivität dieser Nervenzellen, bewirkt die Bildung neuer Nervenzellen aus benachbarten Vorläuferzellen, und erhöht deren komplexe Vernetzung, um auf diese Weise zu der bei Mensch und Maus messbaren Verbesserung der geistigen Leistungsfähigkeit zu führen.“

Der selbstverstärkende Zyklus aus geistiger Herausforderung, aktivitätsinduziertem Sauerstoffmangel und Epo-Produktion kann nach Aussage der Forscherin auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden: „Die geistige Leistungsfähigkeit lässt sich durch konsequentes Lernen und geistiges Training über die Epo-Produktion der beteiligten Nervenzellen steigern. Ein ähnlicher Effekt wird bei Kranken durch die Verabreichung von zusätzlichem Epo erzielt.“

Originalpublikation: Debia Wakhloo, Franziska Scharkowski, Yasmina Curto, Umer Javed Butt, Vikas Bansal, Agnes A. Steixner-Kumar, Liane Wüstefeld, Ashish Rajput, Sahab Arinrad, Matthias R. Zillmann, Anna Seelbach, Imam Hassouna, Katharina Schneider, Abdul Qadir Ibrahim, Hauke B. Werner, Henrik Martens, Kamilla Miskowiak, Sonja M. Wojcik, Stefan Bonn, Juan Nacher, Klaus-Armin Nave and Hannelore Ehrenreich: Functional hypoxia drives neuroplasticity and neurogenesis via brain erythropoietin, Nature Communications 11, Article number: 1313; 9 March, 2020; DOI: 10.1038/s41467-020-15041-1

* Dr. H. Rösch, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, 80539 München

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