Das Belohnungssystem des Gehirns

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Gehirn längs MRT

Das Belohnungssystem des Gehirns (engl.: reward system) verstärkt Verhaltensweisen, Wünsche und Ziele und ebenso die zu ihrer Verfolgung notwendige Risikobereitschaft und Ausdauer. Es übt zudem einen günstigen Einfluss auf das Immunsystem aus, fördert die Widerstandskraft und stärkt die Gesundheit. Mit dem Belohnungssystem ist ein Analyse- und Bewertungssystem verbunden, das als Gegenspieler einen überschießenden Einfluss des Belohnungssystems auf Entscheidungen bremst. Die Rolle des Belohnungssystems bei der Regulierung der Nahrungsaufnahme sowie bei der Sucht und psychischen und psychiatrischen Erkrankungen hat eine breite Forschung angestoßen.

Beteiligte Gehirnstrukturen


Das Belohnungssystem des Gehirns besteht aus verschiedenen verteilten Schaltzentralen. Es handelt es sich um ein „mesokortikolimbisches Netzwerk“. Neuronen im Striatum, im frontalen Kortex und in der Amygdala verarbeiten spezifische belohnungsrelevante Informationen und stellen diese Informationen für Entscheidungsprozesse zur Verfügung. Eine Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Signalen führt zu einer selektiven Verstärkung von Verhaltensweisen, die Belohnungen verstärken. Wesentliche Ergebnisse hierzu wurden durch fMRI-Untersuchungen erhalten 1.

Im Zentrum steht das „mesolimbische dopaminerge Belohnungssystem“. Seine Aktivierung wirkt sich auf verschiedene Großhirnrindenareale, insbesondere auf die ventrolaterale präfrontale Rinde, aus. Wenn die präfrontale Funktion beeinträchtigt ist, wirken Placebo-Medikamente geringer oder fehlen vollständig. Eine Belohnungserwartung wird reduziert 2.

Der Nucleus accumbens (NAc) steht im Belohnungssystem im Zentrum. Er ist in einem informellen Netzwerk verbunden mit dem Striatum (gehört zu den Basalganglien und koordiniert Emotionen, Kognition und Bewegungsabläufe, dopaminreich ist vor allem das ventrale Striatum) und dem ventralen Tegmentum des Hirnstamms. Mit der Funktion des Nucleus accumbens verbunden sind insbesondere Netze für affektive Eigenschaften, die Emotionen beeinflussen, und für informative Eigenschaften, die helfen, zukünftige Belohnungen zu erhalten.

Der Mandelkern (Amygdala) ist bei einer Reihe kognitiver Funktionen, darunter Emotionen, Lernen, Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Wahrnehmung) aktiv und spielt eine zentrale Rolle bei Angst und Furcht, die eine Sicherheitsstrategie in Gefahrensituationen darstellen. Er wirkt sich als Gegenspieler einer Belohnungserwartung aus (s. u.) 3.

Das Striatum unterhält eine Konnektivität mit dem ventrolateralen präfrontalen Kortex (Hirnrinde). Diese kortikostriatalen Interaktionen nehmen bei affektiven Belohnungen zu und werden bei informellen dagegen weniger benutzt 4.

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Belohnungserwartung

Die Empfindlichkeit des Belohnungssystems hat Auswirkungen auf die Entscheidungen von Menschen, wenn eine freie Wahl möglich ist.

Inzwischen ist eine Reihe von Großhirnarealen bekannt, die unter verschiedenen Situationen aktiviert werden, in denen Entscheidungen mit Belohnungsaussichten getroffen werden sollen. 5.

Wenn das mesolimbische dopaminerge Belohnungssystem in belohnungssensitiven Probanden aktiviert wird, so folgt gleichzeitig eine Aktivierung des ventrolateralen präfrontalen Kortex (Großhirnrinde, s.o.) und eine Steigerung der Konnektivität mit dem posterioren Cingulum und dem präzentralen Gyrus. 6.

Bei erwartbarer monetärer Belohnung werden die Entscheidungen stark von sozialen Interaktionen mit Personen, die sich in gleicher Situation befinden, beeinflusst. Es werden Entscheidungen bevorzugt, die in der Gruppe getroffen werden 7. Dasselbe wird bei jungen Cannabis-Rauchern gefunden. Informationen aus sozialen Interaktionen fließen in das Belohnungssystem ein, wobei der Nucleus caudatus (Teil des Striatums) eine Rolle spielt 8.

Je unsicherer die Erwartung einer Belohnung ist, desto mehr Gehirnbezirke werden bei der Entscheidungsfindung aktiviert (desto mehr wird berechnet und „nachgedacht“) 9.

Der Mandelkern (Amygdala) übt eine modulierende Funktion aus, die in schwierigen Entscheidungssituationen, die eine Entscheidung erfordern, über inhibitorische Mikro-Schaltkreise eine klare Verhaltensauswahl erzwingt und die Übermacht einer Belohnungserwartung in Schranken hält. In diese Schaltkreise geben verschiedene Zulieferer entscheidende Signale: über Oxytocin (kann defensive Reaktionen dämpfen), von CRF‑Neuronen (verstärken Reaktionen auf schwache Bedrohungen) und vom Hypothalamus und Hirnstamm (z. B. PAG für Flucht/Schmerzmodulation) 3.

Es besteht eine interne Begrenzung des Einflusses des Belohnungssystems. Eine unerwartet hohe in Aussicht gestellte Belohnung erhöhte in einer Untersuchung gleichzeitig die Reaktionshemmung. Die Bedingung „Erwartete spezifische Belohnung“ scheint damit auch die inhibitorische Kontrolle zu verbessern 10. Entwicklungsgeschichtlich durfte eine noch so hohe Belohnung nicht höher bewertet werden als eine akute Lebensgefahr.

Eine veränderte Aktivität des komplexen Belohnungssystems kann Verhaltensstörungen von psychiatrischen Krankheiten zu erklären helfen, wie beispielsweise die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS), Persönlichkeitsstörungen, Substanzmissbrauch, pathologisches Glücksspiel und kognitive Aspekte der Parkinson-Krankheit. 10

Das Endocannabinoidsystem

Das Endocannabinoidsystem ist an der Regulierung des Belohnungssystems und motivationaler Prozesse beteiligt. Die Belohnung durch Cannabinoide entspricht weitgehend der durch die Suchtmittel Nikotin, Kokain, Alkohol und Heroin.

Das Endocannabinoidsystem besteht aus den Cannabinoid-Rezeptoren CB 1 und CB 2 und den endogenen Agonisten dieser Rezeptoren, den sogenannten Endocannabinoiden. Nach ihrer Freisetzung aus depolarisierten postsynaptischen Neuronen wirken Endocannabinoide retrograd und aktivieren CB 1-Rezeptoren an präsynaptischen Endigungen. Ihre Gesamtwirkung ist entweder fördernd (exzitatorisch) oder hemmend (inhibitorisch). Wie sie wirken, hängt ab von der präsynaptischen Hemmung durch GABA- oder glutamatergen Transmitter. Endocannabinoide haben damit eine starke modulatorische Wirkung auf die synaptische Übertragung der wichtigsten Transmittersysteme und auch erhebliche Auswirkungen auf die Belohnungsverarbeitung 11.

Der Belohnungsweg

Der Belohnungsweg hat seinen Ursprung im ventralen tegmentalen Bereich, von wo hauptsächlich der Nucleus accumbens (NAc) aktiviert und Dopamin freigesetzt wird. Alle Drogen, wie auch natürlicherweise Nahrung, Sex und soziale Belohnungen erhöhen den Dopaminspiegel im NAc. Dopamin-Neuronen haben zwei Aktivitätsmodi: tonische und phasische Entladung. Die tonische Aktivität besteht aus spontanen Einzelimpulsen (1–5 Hz). Die phasische Aktivität ist durch schnelle vorübergehende Anstiege des Dopaminspiegels gekennzeichnet (hochfrequenten Bursts > 20 Hz). Die phasische Aktivität von Dopamin-Neuronen ist erforderlich, um bestimmte prädiktive Reize mit Belohnungen zu assoziieren (Konditionierung), während die tonische Aktivität die Motivation bestimmt, auf solche Reize zu reagieren 12.

Dopaminerge Neurone

Die Dopaminsysteme des Mittelhirns sind an der Verarbeitung von Belohnungsinformationen und dem Erlernen von Verhalten zum Erreichen von Belohnungen beteiligt. Dopamin-Neuronen kennzeichnen Umweltreize mit belohnungsvoraussagenden Werten und können dies durch Konditionierung erlernen. Sie werden durch belohnende Ereignisse aktiviert, die besser als vorhergesagt sind, bleiben von Ereignissen, die so gut wie vorhergesagt sind, unbeeinträchtigt. Durch Ereignisse, die schlechter als vorhergesagt sind, werden sie gehemmt. 13.

Belohnungssystem und Immunität

Positive Erwartungen wirken sich günstig auf das Immunsystem aus.

Eine Aktivierung des ventralen Tegmentums (Bestandteil des Belohnungssystems), durch Belohnungserwartungen stärkt die Immunabwehr. Dies wurde durch bakterielle Exposition von Versuchstieren, deren ventrales Tegmentum direkt durch Dopamin aktiviert wurde, nachgewiesen: Bei ihnen stieg die antibakterielle Aktivität von Abwehrzellen (Monozyten und Makrophagen). Der Effekt war nach Ablation des Sympathikus nicht mehr nachweisbar. Damit wird angenommen, dass der Effekt vom Gehirn über den Sympathikus zu den Bildungsstätten der Abwehrzellen gelangt 14.

Abhängigkeitserkrankungen

Die dopaminergen Neurone dieser Systeme passen sich rasch an, indem sie auf diejenigen Reize zu reagieren lernen, die Belohnungen versprechen 15. Solch eine Adaptation im Rahmen von durch Belohnung unterstützten Entscheidungsprozessen kann zu Abhängigkeitserkrankungen führen 16 17. Die Suche süchtiger Ratten nach Kokain geht laut einer Untersuchung mit einer Aktivierung bestimmter Bereiche des ventralen Pallidums einher 18.

Beim Menschen wurde festgestellt, dass Dopamin im Striatum mit einer „Enthemmung“ von Entscheidungen im Sinne der erwartbaren sofortigen Belohnung assoziiert ist. Das gilt auch, wenn sie weniger wert war als eine Belohnung, auf die man warten musste. Menschen mit einem niedrigeren Dopamin-Spiegel im Striatum lernten eher, auf eine Belohnung zu warten als solche mit einem höheren Spiegel 19.

Geschlechtsdimorphismus

Während des Eisprungs (Oestrus) sind Frauen besonders für Abhängigkeitserkrankungen (z. B. Abhängigkeit von Kokain) empfänglich, was der Wirkung von Östradiol zugeschrieben wird. Unter physiologischen Bedingungen bedeutet dies, dass während des Oestrus das Belohnungssystem besonders sensibel reagiert. Abhängige Frauen berichten, dass sie während der Phase hoher Östrogenwerte im Zyklus ein besonders hohes „High“ mit Kokain erleben 20 21.

Weibliche Mäuse, die mit speziellen Auslösern auf Kokain konditioniert worden waren (ein maximaler Belohnungsstimulus), hatten während des Oestrus, der Zeit der Paarungsbereitschaft, eine erhöhte mesolimbische Reaktion auf die Auslöser, ohne dass Kokain in der Nähe war. Solche Befunde weisen auf einen Östrogen-abhängigen Geschlechtsdimorphismus bei Abhängigkeitserkrankungen hin 22.

Positive Erwartungen und Placeboeffekt

Das Belohnungssystem des Gehirns wird durch Erlebnisse mit Erfolgs- und Glücksgefühlen sowie durch positive Erwartungen angeregt. Auch die Erwartung einer positiven Wirkung von Medikamenten trägt erheblich zu ihrer Wirkung bei, was auch die Placebowirkung von Medikamenten erklärt 23 24.

Allein bereits positive Erwartungen, wie sie im medizinischen Bereich durch Placebo-Medikamente ausgelöst werden, bewirken günstige Wirkungen. Bei Parkinsonkranken beispielsweise wirken Placebo-Tabletten Symptom-mindernd; ihre Einnahme ist assoziiert mit einer kräftigen Dopaminerhöhung im Striatum 25.

Belohnung und Lernen

Die Erwartung einer Belohnung oder eines günstigen Ausgangs übt einen erheblichen Einfluss auf das Lernen aus. Dabei spielt das ventrale Striatum mit seinem dopaminergen System eine zentrale Rolle 26. Es reagiert auf eine Vielzahl unterschiedlicher Belohnungsreize, so beispielsweise auf einfache Verstärker (wie ein Bonbon, Geld), soziale Belohnung oder eine subjektive Befriedigung durch erreichte Korrektheit. Das Lohnsystem wird auch in sehr komplexen Lernaufgaben, die für wesentliche Entscheidungen wichtig sind, rekrutiert 27.

Belohnungssystem und Immunabwehr

Bedeutung des Hirnstamms

Untersuchungen zeigen, dass das ventrale tegmentalen Areal (VTA) des Hirnstamms eine zentrale Rolle im Belohnungssystem spielt. Überträgerstoff an den Neuronen (Gehirnzellen) ist Dopamin. Die Aktivierung dieses Gebiert stärkt die immunologische Abwehrkraft eines Menschen. Im Mausmodell lassen sich die Vorgänge aufschlüsseln. Nach Exposition mit Bakterien (E. Coli) führte die selektive Stimulierung dieser Neurone zu einer Zunahme der angeborenen und adaptiven Immunantworten, erkennbar an einer erhöhten antibakteriellen Aktivität von Monozyten und Makrophagen mit der Folge einer verminderten in vivo bakteriellen Belastung und einer erhöhten T-Zellantwort. Die Wirkungen wurden zumindest teilweise über das sympathische Nervensystem vermittelt 28.

Krankheiten des Belohnungssystems

Unterfunktion des Belohnngssystems: Wird das Belohnungssystem nicht mit ausreichend positiven Informationen und günstig wirkenden Stimuli  „gefüttert“ , kommt es zur „Anhedonie“, zur Resignation oder zur Depression. Anhedonie wird als Verlust von Interesse, Freude und Lustempfinden angesehen und beruht auf Belohnungsdefiziten 29.

Reizüberflutung, Über- oder Unterempfindlichkeit des Belohnungssystems: Wird das Gehirn mit Reizen und Informationen überflutet, die positive Erwartungen auslösen, wirkt sich dies in einem erhöhten Risiko bezüglich Abhängigkeitserkrankungen aus. Eine Überempfindlichkeit oder Unterempfindlichkeit des Belohnungssystems oder eine gestörte Informationsverarbeitung innerhalb des neuronalen Netzwerks dieses Systems können Ursachen von Gemütsschwankungen, Abhängigkeitserkrankungen und psychischen Krankheiten, speziell von Depression, Schizophrenie und bipolaren Störungen, sein 30 31.

Lokalisation: Zu den neuronalen Schaltkreisen, die bei diesen belohnungsbezogenen Prozesse unnormal funktionieren, gehören das ventrale Striatum, präfrontale kortikale Regionen sowie afferente und efferente Projektionen.

Dopamingehalt im Striatum: Menschen mit schwerer Depressionen und der Unfähigkeit, Freude zu empfinden, zeichnen sich durch eine verminderte Fähigkeit aus, ihr Verhalten durch die Aussicht auf Belohnungen zu modulieren 30. Bei ihnen, wie auch bei Menschen mit negativen Symptomen einer Schizophrenie, findet sich der (mit Belohnungserwartung verbundene) Dopamingehalt des Striatums vermindert 32. Bei Menschen mit hypomanen und manischen Zuständen einer bipolaren Krankheit oder einer Psychose ist er dagegen erhöht 30.

Depressionsneigung bei Frauen: Der mediale präfrontale Kortex und der Nucleus accumbens sowie andere Hirnareale mit dopaminerger Übertragung (ventraler tegmentaler Bereich) und das serotonerge Zentrum (dorsaler Raphe-Kern) weisen Geschlechtsunterschiede auf. Sie lassen sich in Bezug auf eine etwas erhöhte Neigung zu Depressionen bei Frauen interpretieren 33.

Beispiel Anorexia nervosa

Bei der Anorexia nervosa spielt eine veränderte Fähigkeit, Belohnung als positiv verstärkend zu erfahren, eine ausschlaggebende Rolle 34.

Im Vergleich zu gesunden Kontrollen waren in fMRI-Untersuchungen an jungen Patienten mit einer sich entwickelnden Anorexie auffällig: Bilder untergewichtiger Personen riefen eine vermehrte Aktivität des ventralen Striatums hervor, und Bilder normalgewichtiger Personen ein vermindertes Signal. Dies entsprach den mitgeteilten subjektiven Präferenzen 35.

Es gab lange die Anschauung, dass eine allgemeine Unfähigkeit, Belohnung als positiv zu empfinden, die Anorexie erklären könnte. Das ist offenbar nicht der Fall. Vielmehr deuten die Untersuchungen darauf hin, dass die Bewertung von Reizen bezüglich einer Belohnung dysfunktional ist. Die bei der Anorexie negative Bewertung einer Gewichtszunahme führt zu einer Abneigung gegenüber lebensmittel- und geschmacksbezogenen Reize, und Stichworte und Reize, die diese abnormale Denkweise unterstützen, werden als belohnend empfunden 36. Viele Untersuchungen stützen dies inzwischen und deuten auf das ventrale Striatum als Akteur 35 37 38.

Wichtig ist zudem die Erkenntnis, dass die Anorexie zumindest zum Teil auf einem Lernprozess krankheitsfördernder Verhaltensweisen (wie insbesondere einer vermehrten körperlichen Bewegung, s. u.) beruht, die sich verfestigen und danach schwierig zu beheben sind 39 36. Das Belohnungssystem arbeitet offenbar adaptiv.

Frauen, die eine Anorexie überwunden haben, bleiben weiterhin für die Krankheit anfällig. Sie empfinden weiterhin Reize, die mit Untergewicht und körperlicher Bewegung assoziiert sind, i.d.R. als Versprechungen einer größeren Belohnung als Gesunde. Der mit der Anorexie verbundene vermehrte Bewegungsdrang verfestigt sich allerdings habituell (wird zur Gewohnheit) und entzieht sich danach einer Beeinflussung des Belohnungssystems. Abnormales belohnungsorientiertes Lernen trägt damit initial sehr wahrscheinlich zur Gewöhnung an ein Verhalten bei, das schließlich die Anorexie unterhält 39.

→ Anorexie

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Verweise

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