Neues zu Energieversorgung und Informationsfluss im Gehirn
Veränderungen des neuronalen Stoffwechsels sind ein typisches Merkmal vieler neurologischer Erkrankungen wie Depression, Alzheimer-Krankheit und Schizophrenie. Das EU-finanzierte Projekt "Quantifying control of brain energy supply by the neuron-glia-vasculature unit" (BRAINENERGYCONTROL) untersuchte nun den Zusammenhang zwischen Informationsfluss in neuronalen Netzen und dem Austausch von Metaboliten zwischen Neuronen und Gliazellen. Um dies zu realisieren, wurden theoretische Modelle und In-vitro-Bildgebung kombiniert. Eine wichtige Erkenntnis war, dass eine effiziente synaptische Übertragung bei neuronalem Rauschen gewährleistet wird, indem die Freisetzung von Botenstoffen reduziert wird. Dadurch wird ein optimales Verhältnis zwischen Informationsübertragung und metabolischem Energieverbrauch erreicht. Dies wäre eine Erklärung für das bislang kaum erforschte Phänomen, dass Synapsen nicht in jedem Fall Neurotransmitter freisetzen, sondern in der Regel nur bei 25 % der ankommenden präsynaptischen Aktionspotentiale. So ergaben auch Experimente an Relaiszellen des seitlichen Kniehöckers (Corpus geniculatum laterale) von Ratten, dass die Amplitude der postsynaptischen Ströme auf ein möglichst günstiges Verhältnis von Informationsübertragung und postsynaptischem Energieverbrauch eingestellt ist. Die Ergebnisse legen homöostatische Mechanismen nahe, die sowohl den Energieverbrauch als auch die Informationsübertragung an den Synapsen regulieren. Das Projekt lieferte neue Erkenntnisse zum Energieverbrauch im Gehirn, indem es den Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) bei Aufgaben im Gehirn analysierte, bei denen keine Signalübertragung stattfindet und die bis zu 50% des ATP im Gehirn verbrauchen können. Die Forscher fanden heraus, dass der Großteil dieses Energieverbrauchs auf den Umsatz des Aktin- und Mikrotubuli-Zytoskeletts fällt. Abschließend präsentierte BRAINENERGYCONTROL ein Modell zu metabolischen Wechselwirkungen im Neuronen-Gliazellen-Gefäßsystem. Das Modell ist Vorlage für umfassende Simulationsmodelle des Systems und integriert erstmals zeitliche Abläufe des Energiestoffwechsels und der neuronalen Erregbarkeit.
Schlüsselbegriffe
Energieversorgung des Gehirns, Gehirnzellen, neuronaler Stoffwechsel, Neuronen-Gliazellen-Gefäßsystem, Synapsen