(mr.suphachai praserdumrongchai/iStock/Getty Images) Das menschliche Gehirn frisst bis zu zehnmal mehr Energie als der Rest des Körpers 20 Prozent unseres durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs, wenn wir uns ausruhen.
Selbst bei komatösen Patienten, die als „hirntot“ gelten, verbraucht das Gehirn nur zwei- bis dreimal weniger Energie.
Es ist eines der großen Rätsel der menschlichen Neurowissenschaft: Warum benötigt ein weitgehend inaktives Organ weiterhin so viel Energie?
Eine neue Studie führt die Antwort auf einen winzigen und geheimen Treibstofffresser zurück, der sich in unseren Neuronen versteckt.
Wenn eine Gehirnzelle ein Signal an ein anderes Neuron weiterleitet, geschieht dies über eine Synapse oder eine kleine Lücke zwischen ihnen.
Zunächst sendet das präsynaptische Neuron eine Reihe von Vesikeln an das Ende seines Schwanzes, das der Synapse am nächsten liegt. Diese Vesikel saugen dann Neurotransmitter aus dem Inneren des Neurons an und wirken so wie „Umschläge“, die Nachrichten enthalten, die verschickt werden müssen.
Diese gefüllten „Hüllen“ werden dann zum äußersten Rand des Neurons transportiert, wo sie an der Membran „andocken“ und verschmelzen und ihre Neurotransmitter in den synaptischen Spalt abgeben.
Sobald diese Sender angekommen sind, verbinden sie sich mit Rezeptoren auf der „postsynaptischen“ Zelle und setzen so die Botschaft fort.
Wir kennen bereits die Schritte in diesem grundlegenden Prozess erfordern einen erheblichen Teil der Energie des Gehirns , insbesondere wenn es um die Vesikelfusion geht. Nervenenden (Terminals), die der Synapse am nächsten liegen, können nicht genügend Energiemoleküle speichern, was bedeutet, dass sie diese selbst synthetisieren müssen, um elektrische Nachrichten im Gehirn weiterzuleiten.
Es macht also Sinn, dass ein aktives Gehirn viel Energie verbraucht. Aber was passiert mit diesem System, wenn das neuronale Feuern verstummt und das Vesikel nie an der Membran andockt? Warum frisst die Orgel weiterhin Strom?
Um dies herauszufinden, entwickelten die Forscher mehrere Experimente an Nervenenden, bei denen der Stoffwechselzustand der Synapse im aktiven und im inaktiven Zustand verglichen wurde.
Selbst wenn die Nervenenden nicht feuerten, stellten die Autoren fest, dass synaptische Vesikel einen hohen Bedarf an metabolischer Energie hatten.
Die Pumpe, die dafür verantwortlich ist, Protonen aus dem Vesikel herauszudrücken und dadurch Neurotransmitter anzusaugen, scheint nie zur Ruhe zu kommen. Und es erfordert einen stetigen Energiefluss, um zu funktionieren.
Tatsächlich war diese „versteckte“ Pumpe in Experimenten für die Hälfte des Stoffwechselverbrauchs der Ruhesynapse verantwortlich.
Das liegt daran, dass diese Pumpe dazu neigt, undicht zu sein, sagen Forscher. Daher schütten synaptische Vesikel über ihre Pumpen ständig Protonen aus, selbst wenn sie bereits voller Neurotransmitter sind und das Neuron inaktiv ist.
„Angesichts der großen Anzahl von Synapsen im menschlichen Gehirn und der Anwesenheit von Hunderten von SVs an jedem dieser Nervenenden geht dieser versteckte Stoffwechselaufwand für die schnelle Rückkehr der Synapsen in einen „bereiten“ Zustand zu Lasten großer präsynaptischer Energie ] und Treibstoffverbrauch, was wahrscheinlich erheblich zum Stoffwechselbedarf und zur Stoffwechselanfälligkeit des Gehirns beiträgt“, so die Autoren daraus schließen .
Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um herauszufinden, wie verschiedene Arten von Neuronen von derart hohen Stoffwechselbelastungen betroffen sein können, da sie möglicherweise nicht alle auf die gleiche Weise reagieren.
Beispielsweise könnten einige Neuronen im Gehirn anfälliger für Energieverlust sein. Wenn wir herausfinden, warum, könnten wir diese Botenstoffe auch dann erhalten, wenn ihnen Sauerstoff oder Zucker entzogen sind.
„Diese Ergebnisse helfen uns, besser zu verstehen, warum das menschliche Gehirn so anfällig für eine Unterbrechung oder Schwächung seiner Kraftstoffversorgung ist.“ sagt Biochemiker Timothy Ryan von Weill Cornell Medicine in New York City.
„Wenn wir einen Weg hätten, diesen Energieverlust sicher zu senken und damit den Hirnstoffwechsel zu verlangsamen, könnte das klinisch sehr wirkungsvoll sein.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte .