Nein, ein Meerschweinchen hätte man nicht sein wollen, damals in den 1910er Jahren im pharmakologischen Institut der Universität Budapest. Zumindest nicht eines jener bedauernswerten Exemplare, an denen die Physiologen Géza Mansfeld und Friedrich Müller ihre Experimente durchführten. Die beiden Forscher wollten herausfinden, auf welche Weise der Körper in Hungerzeiten den Abbau von Fett steuert. Um etwaige neuronale Einflüsse zu erfassen, durchtrennten sie bei ihren Versuchstieren in einem der Hinterbeine kurzerhand den Oberschenkelnerv und den Ischiasnerv. Die Gegenstücke auf der anderen Körperseite blieben unversehrt. Dann ließen sie die Meerschweinchen verhungern.

Fett am Bein

Nach dem Tod der Nager vermaßen Mansfeld und Müller bis aufs zehntausendstel Gramm genau die verbliebene Fettmenge in den Hinterbeinen. In einem Aufsatz beschrieben sie 1913 mit wissenschaftlicher Nüchternheit das zentrale Ergebnis ihrer Studien: Bei ausnahmslos allen Tieren fand sich in der »entnervten« Seite mehr Fett als auf der unangetasteten Seite, »mindestens zweimal, maximal siebenmal so viel«. Während also in Beinen mit intakten Nerven fast das gesamte Fett bis auf geringe Spuren aufgezehrt war, gab es auf der Gegenseite noch Fettreserven.

Die ziemlich grausamen Experimente lieferten erstmals Hinweise darauf, dass die Fettverbrennung nicht ausschließlich durch Hormone oder Stoffwechselprodukte im Blut gesteuert wird. Offensichtlich erfolgte die Kontrolle zum Teil über Nervenbahnen, zumindest bei Meerschweinchen. Allerdings wurde die Erkenntnis der ungarischen Forscher bezweifelt. Das sollte sich erst viel später ändern.

Grundsätzlich gibt es bei Säugetieren zwei verschiedene Arten von Fettgewebe mit völlig unterschiedlichen Aufgaben. Die weiße Form dient vor allem dazu, Energiereserven für schlechte Zeiten bereitzustellen. Jede Zelle davon enthält einen großen Fetttropfen. Bei Bedarf werden die darin enthaltenen Lipide in einzelne Fettsäuren zerlegt – eine Reaktion, die als Lipolyse bezeichnet wird. Diese gelangen dann über das Blut in die Muskeln, das Gehirn oder andere Organe, die daraus Energie produzieren. Ist dagegen mehr Energie vorhanden, als gerade benötigt wird, beschreitet der Körper den umgekehrten Weg, die so genannte Lipogenese: Er bildet neues Fett und lagert es ein.

Die zweite Form, das braune Fettgewebe, sorgt dagegen für die Thermogenese. Zu Deutsch: Es fungiert als biologische Heizung. Genau dieser Funktion verdankt es auch seine Farbe. Denn braune Fettzellen enthalten neben vielen kleinen Lipidtropfen eine sehr große Zahl von Mitochondrien. Diese winzigen Organellen dienen der Zelle als Kraftwerke. Normalerweise zerlegen sie die Fettsäuren und erzeugen damit letztlich ATP, eine energiereiche Verbindung, welche die Zellen als Treibstoff für ihre Arbeit benötigen. In den Mitochondrien des braunen Fetts findet sich aber ein Protein, das die ATP-Bildung verhindert. Deshalb verpufft die Energie aus dem Fettsäure-Abbau als Wärme. Bei uns Menschen besitzen vor allem Neugeborene und Kleinkinder größere Mengen braunes Fett – wahrscheinlich, weil sie besonders leicht auskühlen.

»Das Gehirn hat die übergeordnete Kontrolle über den Stoffwechsel. Es justiert permanent so nach, dass die Versorgung mit Energie und Nährstoffen überall im Organismus stets im grünen Bereich ist«Siegfried Ussar, Stoffwechselforscher

Lipolyse, Lipogenese und Thermogenese müssen streng reguliert werden. Schließlich soll der Körper etwa bei Nahrungsknappheit und angenehmer Temperatur nicht unnütz Kalorien verheizen. Zum Teil schafft das Fettgewebe dies autonom, ohne Einmischung durch die Zentrale im Kopf. »Es gibt einen Regelkreis für Fett, der unabhängig vom Gehirn funktioniert und größtenteils von Insulin gesteuert wird«, erklärt Siegfried Ussar, der am Helmholtz Zentrum München die Forschungseinheit »Fettzellen und Stoffwechsel« leitet.

Ganz ohne Gehirn geht es aber offenbar nicht. Das zeigt schon die Tatsache, dass die allermeisten bislang entdeckten Gene für die Gewichtsregulation nicht im Hüftgold oder im Bauchspeck aktiv sind, sondern unter dem Schädeldach. »Das Gehirn hat die übergeordnete Kontrolle über den Stoffwechsel«, betont Ussar. »Es justiert permanent so nach, dass die Versorgung mit Energie und Nährstoffen überall im Organismus stets im grünen Bereich ist.« Doch wie behält es den Überblick?

Sättigungsanzeige per Leptin

Eine wichtige Rolle spielen dabei Botenstoffe, die vom Fettgewebe ausgeschüttet und mit dem Blut durch den Körper geschwemmt werden. Der wohl bekannteste Vertreter ist das Leptin. Je voller die Fettspeicher sind, desto mehr Leptin geben sie ins Blut ab. Das Molekül wird oft auch als »Sättigungshormon« bezeichnet: Es sorgt im Normalfall dafür, dass wir irgendwann aufhören zu essen. Verantwortlich dafür sind unter anderem Nervenzellen im Hypothalamus, die über Leptinsensoren verfügen. Die Hirnregion ist für die Regulation der Nahrungsaufnahme zentral.

»Man hat lange versucht, diesen Sättigungseffekt pharmakologisch zur Bekämpfung der Adipositas zu nutzen«, sagt Helmholtz-Forscher Ussar. »Doch leider entwickeln Menschen mit starkem Übergewicht oft eine Leptinresistenz. Das Hormon verliert bei ihnen also seine Wirkung. Es gibt allerdings auch Menschen, die zu wenig Leptin produzieren und daher adipös sind. Wenn man ihnen das Molekül verabreicht, essen sie tatsächlich weniger und nehmen deutlich ab.«

Sympathikus als Befehlsüberbringer

Unter anderem dank Leptin ist das Gehirn immer genau über die Energiereserven im Körper informiert. Doch auf welchem Weg sendet es seinerseits Botschaften an die Fettzellen? Anders gefragt: Wie erteilt es seine Befehle? An dieser Stelle kommt das so genannte sympathische Nervensystem (der »Sympathikus«) ins Spiel. Es sorgt dafür, dass wir bei Herausforderungen hellwach und besonders leistungsfähig sind. Bei Gefahr beispielsweise bereitet es uns auf Kampf oder Flucht vor, indem es die Durchblutung und damit die Sauerstoffversorgung von Muskeln und Gehirn verstärkt. Außerdem veranlasst der Sympathikus den Stoffwechsel, mehr Energie bereitzustellen.

Dass er auch in die Fettverbrennung eingreift, erscheint vor diesem Hintergrund nicht unerwartet. Wie er das macht, erkannte man im Detail aber erst in den 1990er Jahren. Besonders aufschlussreich waren in dem Zusammenhang die Studien des US-Wissenschaftlers Timothy Bartness mit Dsungarischen Zwerghamstern. Die Tiere nehmen im Sommer dramatisch zu; etwa die Hälfte ihrer Körpermasse verdanken sie dann ihren Fettdepots. Im Winter schmelzen die Fettpolster wieder ab. Verantwortlich ist dafür offenbar allein die Tageslänge, nicht die Verfügbarkeit von Nahrung. Im Labor reicht es, die Helligkeitsphase zu verkürzen oder zu verlängern, um eine Gewichtsabnahme beziehungsweise -zunahme auszulösen.

Noradrenalin baut Fett ab

Man wusste damals bereits, dass der Neurotransmitter Noradrenalin die Lipolyse – die Zerlegung von Fett – stark anregt und daher hier beteiligt sein könnte. Unklar war allerdings, woher in dem Fall der Botenstoff stammt. Als wahrscheinlichste Quelle galt lange das Mark der Nebennieren. Doch der Effekt blieb erhalten, als man sie entfernte.

Wie Bartness herausfand, geben bei den Hamstern unter Kurztag-Bedingungen die Fasern des sympathischen Nervensystems Noradrenalin in das von ihnen versorgte Fettgewebe ab. Im Sommer dagegen nimmt ihre Transmitterausschüttung ins Fettgewebe ab, und die Hamster nehmen zu. Die Ergebnisse erklären auch, warum in den entnervten Meerschweinchenbeinchen trotz gravierender Unterernährung der Tiere noch Fettreserven verblieben.

Heute ist bekannt, dass Fettzellen auf ihrer Oberfläche einen Rezeptor für Noradrenalin tragen. Wenn der Neurotransmitter dort andockt, wirkt das für die Lipolyse wie ein Tritt aufs Gaspedal

Heute ist bekannt, dass Fettzellen auf ihrer Oberfläche einen Rezeptor für Noradrenalin tragen. Wenn der Neurotransmitter dort andockt, wirkt das für die Lipolyse wie ein Tritt aufs Gaspedal. In braunem Fett stimuliert das Molekül zudem zusätzlich die Thermogenese. Auch die Vermehrung der Adipozyten wird durch Noradrenalin beeinflusst, ebenso wie ihre Umwandlung in beige Fettzellen, die wie die braunen ebenfalls Wärme produzieren können.

Gezielte Fettverbrennung

Durch die direkte Verkabelung kann das Gehirn verschiedene Fettpolster unterschiedlich ansteuern. So schmelzen bei den Zwerghamstern im Winter nur die tief liegenden Depots ab; der Speck direkt unter der Haut bleibt weitgehend unangetastet. Wahrscheinlich ist er eine wichtige Isolierung gegen die Kälte; es würde den Tieren daher schaden, ihn ebenfalls zu verbrennen. »Mit Nerven lassen sich ganz gezielt spezifische Gewebe ansprechen, in manchen Fällen sogar einzelne Zellen oder Zellgruppen«, erklärt Kristy Townsend, die an der Ohio State University den Einfluss des Gehirns auf die Energiebalance erforscht. »Diese Art der Kommunikation ist zudem sehr schnell – es dauert nur ein paar Millisekunden, bis ein Nervenimpuls seinen Zielort erreicht.«

Gegenspieler des Sympathikus ist der Parasympathikus. Er wirkt dämpfend und sorgt dadurch zum Beispiel dafür, dass sich Herzschlag und Atmung nach überstandener Gefahr wieder beruhigen. Auf den Fettstoffwechsel hat er dagegen wahrscheinlich keinen Einfluss: Nach heutigem Kenntnisstand ist das Fettgewebe nicht an den Parasympathikus angeschlossen. Stattdessen gibt es offensichtlich einen anderen Mechanismus, der dessen Rolle ein Stück weit übernimmt: So genannte somatosensorische Nervenfasern scheinen das Gehirn fortlaufend darüber zu informieren, was im Fettgewebe gerade vonstattengeht. So kann es im Bedarfsfall schnell gegensteuern – etwa, wenn die Lipolyse aus dem Ruder läuft.

Heißer Draht vom Fettgewebe zum Gehirn

Somatosensorische Nervenfasern sorgen beispielsweise dafür, dass wir Schmerz oder Hitze spüren und Blindenschrift ertasten können. Dazu verfügen sie – je nachdem, wo im Körper sie vorkommen – über spezialisierte Mechano-, Chemo- oder Temperaturrezeptoren. Auf welche Signale solche Fasern im Fettgewebe ansprechen, ist noch unklar. Bis vor Kurzem fristeten sie in der einschlägigen Forschung ein Schattendasein. So ist zwar schon seit Langem bekannt, dass sie in Fettgewebe vorkommen. Ausmaß und Bedeutung dieser Innervierung wurden aber bislang unterschätzt. Das hat vor allem methodische Gründe: Man erkannte oft schlicht nicht, dass es sich hier um sensorische Nerven handelte, sondern hielt sie für einen Teil der sympathischen Innervierung. »Früher wurden sympathische Nerven mit einem Marker angefärbt, von dem man dachte, er sei für diese spezifisch«, erläutert Townsend. »Das ist er aber nicht: Heute wissen wir, dass 40 Prozent der so gefärbten Nerven in Fettgewebe sensorische Fasern sind.« Dass sie inzwischen mehr in den Fokus gerückt sind, ist unter anderem den beiden US-Forschern Yu Wang und Li Ye zu verdanken. Sie wiesen 2022 in einer Reihe von methodisch sehr ausgefeilten Experimenten nach, dass die Fettdepots von Mäusen in erheblichem Maß sensorisch innerviert sind.

Doch zu welchem Zweck? Um diese Frage zu beantworten, entwickelten die Forscher ein Virus, das ausschließlich somatosensorische Nerven befällt und zerstört. Sie injizierten ihn bei den Versuchstieren in ein beiges Fettpolster. Daraufhin wurden in jenem Depot die genetischen Programme angeworfen, die für die Thermogenese verantwortlich sind, also für die körpereigene Heizung. Der Verlust der sensorischen Fasern hatte demnach einen ähnlichen Effekt wie die Aktivierung von sympathischen Nerven. Wang und Ye vermuteten deshalb, dass beide Systeme zueinander als Gegenspieler fungieren.

Auf welche Weise genau die somatosensorischen Nerven ihre Effekte hervorrufen, liegt noch im Dunkeln. Außerdem gibt es auch Befunde, die nicht so einfach in dieses Bild passen. Eigentlich senden die Fasern Informationen in Form elektrischer Impulse an das Gehirn – ergänzend zum Leptin, das über den Blutstrom dorthin gelangt. Ein Teil der Antwort könnte daher sein, dass das Gehirn auf solche Informationen reagiert und dann entsprechende Befehle zum Fettgewebe zurückleitet.

Dafür spricht: Als Timothy Bartness bei Zwerghamstern die sensorischen Nerven in einem bestimmten Fettdepot außer Gefecht setzte, wurden ihre anderen Fettpolster größer. Möglicherweise schließt ihr Gehirn aus den ausbleibenden Informationen, dass das Depot mit der ausgefallenen Sensorik fehlt, und instruiert die anderen Speicher, zur Kompensation umso mehr Fett einzulagern.

Somatosensorische Fasern mit Doppelfunktion

Die sensorischen Nerven sind keineswegs nur passive Kabel, die elektrische Pulse von A nach B leiten. Sie können auch Neuropeptide in den Fettspeichern freisetzen und sie dadurch möglicherweise direkt beeinflussen. Kristy Townsend von der Ohio State University hat zu diesem Aspekt 2024 auf einer Konferenz interessante Ergebnisse vorgestellt. »Wir konnten zeigen, dass ein solcher Botenstoff, das Calcitonin Gene-Related Peptide (CGRP), unter anderem die Lipolyse kontrolliert«, sagt sie. »Die von sensorischen Nerven ausgeschütteten Neuropeptide übernehmen demnach Funktionen, die wir früher allein dem Noradrenalin zugeschrieben haben – warum und wie, ist allerdings noch unklar.«

»Die von sensorischen Nerven ausgeschütteten Neuropeptide übernehmen also Funktionen, die wir früher allein dem Noradrenalin zugeschrieben haben – warum und wie, ist allerdings noch unklar«Kristy Townsend, Neurowissenschaftlerin

Offen ist auch, ob sich alle Befunde auf den Menschen übertragen lassen. »Viele Erkenntnisse zur Kommunikation zwischen Fett und Gehirn wurden an Versuchstieren gewonnen«, betont Helmholtz-Forscher Siegfried Ussar. »Es gibt jedoch enorme Speziesunterschiede bei der Regulation des Körpergewichts. Nehmen Sie zum Beispiel Mäuse: Die nehmen zu, wenn sie viel essen, genau wie wir. Sobald sie aber auf normale Kost gesetzt werden, pendeln sie sich wieder bei ihrem ursprünglichen Körpergewicht ein.« Bei uns ist das anders: Wenn wir für einen längeren Zeitraum übergewichtig waren, dann versucht unser Körper in der Regel, dieses höhere Gewicht zu verteidigen. »Menschen erreichen also nicht mehr so leicht ihr Normalgewicht, selbst wenn sie es versuchen.«

Verglichen mit der Zeit, zu der Géza Mansfeld und Friedrich Müller mit Meerschweinchen experimentierten, wissen wir heute unglaublich viel mehr über die Art und Weise, wie Gehirn und Fettgewebe miteinander kommunizieren. Dass nun mit den somatosensorischen Nerven ein weiterer Akteur auf den Plan getreten ist, bedeutet allerdings noch nicht, dass das Bild jetzt komplett ist.