Das Gehirn benötigt im Vergleich zu seinem Anteil an der Körpermasse überproportional viel Energie. Erzeugt wird diese Energie hauptsächlich über aerobe Stoffwechselprozesse, die erhebliche Mengen an Sauerstoff verbrauchen. Daher sind die Sauerstoffkonzentrationen im Gehirn ein wichtiger Parameter, der die Funktion von Gehirnzellen, Nervenzellen und Gliazellen, beeinflusst.
Wieviel Sauerstoff unter welchen Bedingungen im Gehirn verbraucht wird, war bisher allerdings weitgehend unbekannt. Den LMU-Neurobiologen Hans Straka, Suzan Özugur und Lars Kunz ist es nun erstmals gelungen, dies im intakten Gehirn zu messen und mit der Nervenzellaktivität zu korrelieren.
Zusammenhang zwischen Sauerstoffverbrauch und Nervenzellaktivität
Die Wissenschaftler bestimmten in einem bereits etablierten Tiermodell, Kaulquappen des Krallenfrosches Xenopus laevis, mit Sensoren die Konzentration von Sauerstoff im Gehirn und einem der Hirnventrikel. Dabei konnten sie sowohl die dem Gehirn zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge gezielt steuern als auch mithilfe chemischer Substanzen Nervenzellen hemmen. Am Beispiel von Nervenzellen, die die Augenbewegungen steuern, gelang es den Wissenschaftlern auf diese Weise, den Zusammenhang zwischen Sauerstoffverbrauch und Nervenzellaktivität direkt zu erfassen.
„Wir haben festgestellt, dass das Gehirn in normaler Luft-gesättigter Umgebung anoxisch ist, das heißt es ist kein Sauerstoff messbar“, sagt Straka. Der komplette Sauerstoff wurde also von den Zellen sofort verwendet, um energiereiche Substanzen zu bilden. Stand mehr als die doppelte Luftsauerstoffkonzentration zur Verfügung, war der Energiestoffwechsel gesättigt und Sauerstoff im Gehirn im Überfluss vorhanden.
„Zudem konnten wir zeigen, dass im Normalbetrieb nur etwa 50 Prozent des Sauerstoffs für die Nervenzellaktivität verbraucht wird“, sagt Straka. „Die anderen 50 Prozent werden also für die Gliazellen und die Aufrechterhaltung des Grundumsatzes der Nervenzellen benötigt. Nervenzellen mit erhöhter Aktivität verbrauchen allerdings mehr Sauerstoff.“
Informationsverarbeitung im Gehirn besser verstehen
Um die Informationsverarbeitung im Gehirn besser zu verstehen, sind Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen Sauerstoffverfügbarkeit und Hirnaktivität essenziell. Die Ergebnisse der Wissenschaftler liefern hierzu erste Einblicke und sind eine wichtige Basis, um in zukünftigen Experimenten die Energiebilanz des Gehirns weiter zu untersuchen und den Sauerstoffverbrauch für verschiedene Nervenzellfunktionen zu messen.
Auch medizinisch könnte dies relevant sein, beispielsweise um die Folgen von Sauerstoffmangel im Gehirn besser zu verstehen oder um die mit bildgebenden Verfahren gewonnenen Informationen zur Gehirnaktivität besser interpretieren zu können.
Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München
Originalpublikation: Suzan Özugur et al.; Relationship between oxygen consumption and neuronal activity in a defined neural circuit; BMC Biology, 2020, DOI: https://doi.org/10.1186/s12915-020-00811-6
