Hirnarbeit

4. Mai 2008 von Stephan Schleim in Hirnforschung

NeuronDas Gehirn macht zwar nur ca. zwei Prozent des Körpergewichts aus, verbraucht aber satte 20 Prozent der Energie. Ganz gleich, ob wir schlafen, fernsehen oder einen Marathon laufen, es ist immer aktiv. Doch was wissen wir wirklich darüber, wie es arbeitet und was es mit dieser Energie macht?

Man hört immer wieder die vereinfachte Schilderung, die neuronale Aktivierung hänge von der Sauerstoffversorgung ab. Wenn Neuronen „feuern“, würden sie mehr O2 „anfordern“ und so ihren gestiegenen Energiebedarf decken. Das hört sich so an, als würde man in ein Restaurant gehen und eine Pizza bestellen, weil man gerade Hunger hat. Tatsächlich strömt einige Sekunden nach neuronaler Aktivität mehr sauerstoffreiches Blut in diese Region. Man spricht hierbei von Oxyhämoglobin. Diesen Effekt nutzt man auch in der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) aus, weil Oxyhämoglobin andere magnetische Eigenschaften hat als sein sauerstoffarmes Gegenstück, Desoxyhämoglobin. Schon in den 1930er Jahren hatten Physiologen entdeckt, dass letzteres ein Magnetfeld unterbricht, nicht aber seine sauerstoffreiche Variante. In den frühen 1990er Jahren hat man dann gezeigt, dass diese Änderungen groß genug sind, um mit der fMRT aufgezeichnet zu werden – aber das ist Stoff für eine andere Geschichte.

Ein Haken an dieser Erklärung der Hirnarbeit ist, dass der Zustrom des sauerstoffreichen Bluts erst ca. vier bis sechs Sekunden nach der neuronalen Aktivierung seinen Höhepunkt erreicht. Bei der Pizza kann es ja auch eine Weile dauern, bis sie heiß und saftig auf dem Tisch landet. Allerdings ist es gut möglich, dass die Arbeit des Neurons dann längst erledigt ist – der Bereich von Sekunden, in dem die Veränderung des Blutflusses stattfindet, ist um den Faktor 1.000 größer als die Dimension, in der neuronales Feuern geschieht. Davon abgesehen ist der Anstieg des Blutflusses noch nicht einmal notwendig. Es werden ohnehin nur ca. 40 Prozent des vorhandenen Sauerstoffs im Gehirn aus dem Blut entfernt. Stellen Sie sich vor, Sie kommen hungrig ins Restaurant und die Pizza steht schon fertig auf dem Tisch – wozu also noch bestellen? Anstatt mehr Sauerstoff in den Bereich strömen zu lassen, wäre es also zumindest theoretisch möglich, einfach mehr aus dem vorhandenen zu verwenden.

Durchschnittlich werden ca. 40 Prozent des verfügbaren Sauerstoffs aus dem Blut entfernt, welches das Gehirn passiert. Das lässt eine substanzielle Reserve dafür übrig, um auf einen schnellen Anstieg der Nachfrage zu reagieren. (Raichle & Mintun 2006, 456)

Um auf plötzliche Anforderungen von Energie zu reagieren, bietet sich aber ein Vorgang an, der einerseits ohne Sauerstoff auskommt und andererseits schneller geht: die so genannte Glykolyse. Aus vorhandenem Zucker (Glukose) oder seiner eingelagerten Form Glykogen können zwei Einheiten Adenosintriphosphat (ATP) erzeugt werden, das Energie zur Verfügung stellt. Für mehr als eine Vorspeise reicht das aber nicht – wenn der große Hunger kommt, ist der langsamere Prozess der Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) nötig, der etwa fünfzehnmal so viel Energie erzeugt. Wie der Name schon nahe legt, ist hierfür aber Sauerstoff nötig, um im Anschluss an die Glykolyse satte 30 ATP sowie jeweils vier Moleküle Wassers und Kohlendioxids zu erzeugen.

Der Glukosestoffwechsel: Zucker kann durch die Glykolyse schnell in das Zwischenprodukt Pyruvat transformiert werden, wobei netto zwei ATP entstehen. Die Vorgänge der Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) erzeugen zwar mehr Energie, benötigen aber Sauerstoff und mehr Zeit. (Abbildung vereinfacht nach Raichle & Mintun 2006, 456)

Nun haben wir zwar zwei Mechanismen kennen gelernt, wie im Gehirn Energie erzeugt werden kann, stehen aber vor einem anderen Rätsel: Wenn die Änderung im Blutfluss für keinen der beiden notwendig ist, warum geschieht sie dann überhaupt? Und noch wichtiger: Was messen wir dann eigentlich mit der funktionellen Magnetresonanztomographie und anderen Verfahren, die entscheidend vom Blutfluss abhängen? Für die erste Frage schlägt Marc Raichle, ein alter Hase im Bereich der bildgebenden Hirnforschung an der Washington University School of Medicine, ein paar Antworten vor: Es könnte sein, dass Nebenprodukte, die bei der Energiegewinnung entstehen (z.B. Milchsäure), abtransportiert werden; die Änderung im Blutfluss könnte aber auch mit einer Anpassung des Säure-Base-Verhältnisses in Zusammenhang stehen oder gar der Temperaturregulation dienen. Mit der zweiten Frage werden wir uns in Kürze bei den „Menschen-Bildern“ näher befassen. Bis dahin bleibt noch reichlich Zeit, sich eine Pizza zu bestellen – wer nicht warten will, darf gerne auch in meinem Buch nachlesen.

Quelle: Raichle, M. E. & Mintun, M. A. (2006). Brain Work and Brain Imaging. Annual Reviews of Neuroscience 29: 449-476.

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Abbildung des Neurons: © 2005 Nicolas Rougier


15 Kommentare zu “Hirnarbeit”

  1. Andreas Naumann Antworten | Permalink

    Laienarbeit...

    Hallo und danke für den interessanten Artikel.

    Ich muß erstmal tief durchatmen, damit mein unprofessionelles Hirn auch ja genügend Sauerstoff bekommt :-)

    Also: Wenn ich das richtig verstanden habe, gibt es also für dieses Modell zwei Versorgungslinien, für Glukose und für Sauerstoff. Glukose ist dabei der eigentliche Energieträger (der für beide vorgestellten Mechanismen benötigt wird) und Sauerstoff das "Lösungsmittel", um die zur Verfügung gestellte Energie auch möglichst vollständig und rückstandsfrei extrahieren zu können (ich vermute, das entstehende Kohlendioxid plus Wasser wird vom Blut gerne wieder mitgenommen, richtig?).

    Über den Glukose-Transport weiß ich nicht viel, aber ich nehme an, auch dieser wird vom Blut übernommen (scheint ja doch ein Speditions-Monopol zu besitzen...). Meine Frage: Gibt es einen Zusammenhang zwischen beiden Transporten? Kann es sein, dass das Hirn eigentlich Glukose-Pizza bestellt hat und - sozusagen als Spar-Menü - gleich noch eine Dose Sauerstoff mitgeliefert wird? Das würde einerseits erklären, warum nur ein kleiner Teil des Sauerstoffs tatsächlich benutzt wird, und andererseits, warum eine nachträgliche Lieferung Sinn macht. Denn Glukose liegt ja in gespeicherter Form vor, sodass akut gefeuert werden kann. Nach dem Neuronen-Feuer müssen nur die Speicher wieder aufgefüllt werden, aber das hat ja durchaus ein paar Sekunden Zeit.

    Den Sauerstoff-Transport stelle ich mir eher zeitkritisch vor, da Sauerstoff ja hoch-reaktiv und damit schwer zu lagern ist. Hier sollte also gelten: O2-on-demand - was nicht sofort verbraucht werden kann, wird gleich wieder zurückgeschickt.

    Weitere Fragen, die sich mir stellen:

    Was würde eigentlich mit dem Zwischenprodukt Pyruvat passieren, falls kein Sauerstoff zur Phosphorylierung zur Stelle wäre?

    Wäre das schädlich und müßte abtransportiert werden?

    Gibt es Methoden zur Messung der Pyruvat-Konzentration?

    Kann es sein, dass es an Stellen im Körper transportiert wird, die nicht ganz so schnell mit Energie beliefert werden müssen (die sozusagen geplant Hunger bekommen und keine neuronalen Heißhunger-Attacken)?

    Gibt es Erkenntnisse über verschiedene Prozesse im Hirn, die vielleicht unterschiedlich schnell Energie benötigen?

    Eine andere (zugegebenermaßen etwas weit hergeholte und nicht ganz ernstgemeinte) Erklärung für das Verschmähen von so viel Sauerstoff fällt mir da gerade ein:

    Das Hirn ist doch die Schaltzentrale des Körpers, sozusagen die Regierung ...
    ... und Regierungsdiener verschreiben sich ihre Diäten selber und lassen da mal aus Prinzip keine Not entstehen. Also lieber Überschuss bestellen und die Hälfte wieder zurückgehen lassen ;-))

    Beste Grüße
    Andreas

  2. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    @ Naumann

    Lieber Herr Naumann,

    Ihre Fragen möchte ich so gut es geht beantworten; bitte bedenken Sie aber, dass ich kein geschulter Neurobiologe bin.

    Sauerstoff und Glukose sind im Körper reichlich vorhanden; hier spielt nicht nur die Konzentration im Blut eine Rolle, sondern auch die Speicherung in den Zellmembranen oder die Arbeit der Astrozyten, das sind bestimmte Zellen, die beispielsweise auch in der Flüssigkeitsregulation eine Rolle spielen und auch beim Glukosestoffwechsel eine Rolle spielen, die ich der Einfachheit halber aber nicht erwähnt habe.

    Da die Glykolyse so schnell ist kommt es durchaus zu einem Überschuss an Pyruvat -- dieses kann dann in Milchsäure (Laktat) umgewandelt werden.

    Das eigentliche Rätsel ist aber, warum es bei neuronaler Aktivität zum stärkeren Blutfluss kommt, denn eigentlich wäre schon genug Sauerstoff da, um über die Atmungskette mittelfristig die nötige Energie zu erzeugen, für welche die kurzfristige Glykolyse nicht ausreicht. Daher glaube ich nicht, dass der Aspekt der kritischen Zeit, auf den Sie verweisen, eine Rolle spielt. Die Pizza ist also tatsächlich schon längst da und es muss gar keine bestellt werden.

    Zum Teil sind die Fragen, die Sie ansprechen, noch gar nicht gelöst; wenn Sie es genauer wissen möchten, lesen Sie doch den Artikel von Raichle und Mintun; in der Wikipedia gibt es außerdem auch Beiträge zum Glukosestoffwechsel, Pyruvat usw.

    Viele Grüße

    Stephan Schleim

  3. Mathias Wölfelschneider Antworten | Permalink

    Schöner Artikel. Ich werde regelmäßig darauf verlinken, wenn psychische Phänomene vorschnell oder zu unreflektiert mit fMRI-Bildern in Verbindung gebracht werden. Danke dafür.

  4. Monika Armand Antworten | Permalink

    Danke schön!

    Ihre Gabe, komplizierte Zusammenhänge verständlich darzustellen bringt so manches Licht in die "forschungsmethodische" Dunkelkammer ;-))

    Könnte es gar eines Tages passieren - nachdem diese Zusammenhänge im Detail aufgeklärt sind - dass man dann manche Interpretationen neurowissenschaftlicher Studien komplett umschreiben müsste?

    Irgendwie ist das schon beunruhigend.....angesichts des riesigen Aufwandes und der hohen Kosten, welche mit den bildgebenden Verfahren verbunden sind. Ganz abgesehen von vielleicht möglichen und noch unbekannten "Nebenwirkungen" jener hochenergetischen Untersuchungsmethoden...

  5. Helmut Wicht Antworten | Permalink

    Die vielzitierten 20 Prozent...

    "Das Gehirn macht zwar nur ca. zwei Prozent des Körpergewichts aus, verbraucht aber satte 20 Prozent der Energie. Ganz gleich, ob wir schlafen, fernsehen oder einen Marathon laufen, es ist immer aktiv."

    Das liest man wieder und wieder und ich selbst lehre es meine Studenten. Wenn ich aber recht darüber nachdenke, muss ich zugeben, keine Ahnung zu haben, wie man zu dieser Zahl und zur Behauptung des unwandelbaren Energiebedarfes des Gehirnes kommt.

    Tatsächlich müsste man ja den Blutzucker/Sauerstoffgehalt/Flussvolumina in den zuführenden (A. carotis/vertebralis) und abführenden (V. jugularis int.) Gefässen unter Bedingungen des traumlosen Schlafes oder des intensiven Denkens vergleichend messen, und ich weiss nicht, ob das je geschehen ist.

    Weisst Du, weiss jemand, ob, wo und wie diese Zahl (und vor allem die Behauptung ihrer Unwandelbarkeit) experimentell verankert/überprüft worden sind?

  6. Martin Huhn Antworten | Permalink

    Blitz und Donner

    "Das Gehirn macht zwar nur ca. zwei Prozent des Körpergewichts aus, verbraucht aber satte 20 Prozent der Energie."

    Das können wir uns doch heutzutage gar nicht mehr leisten, das ist ökologisch nicht zu verantworten. Wenn wir bewußtlos sind müßte es doch weniger verbrauchen, oder? Dann lautet die Devise: Koma statt Schlafen - der Umwelt zu liebe!

    "Um auf plötzliche Anforderungen von Energie zu reagieren, bietet sich aber ein Vorgang an ...: die so genannte Glykolyse."

    So ist es beim Muskel auch. Sportler machen sich das zu nutze. Vor Wettkämpfen wird dann noch der Glykogen Speicher im Muskel erhöht. Dazu wird Ausdauersport betrieben und sich eiweißreich und kohlehydratarm ernährt, die Glykogenspeicher sinken ab. Wenige Tage vorm Wettkampf werden Kohlenhydrate en Mass zugeführt, was eine Überkompensation zur Folge hat, also mehr Glykogen als üblich.
    Nächstes Jahr beim nächsten Blogertreffen, werde ich das für mein Gehirn auch so machen. Dann esse ich nur noch rohe Eier und lese mir alle Beiträge vom Schleim durch. Eins, zwei Tage vorher gibt es dann nur noch Müsli, Bananen und Nudeln. Dann werde ich so schnell denken, wie andere nicht mal gucken können. Bevor jemand die Frage formuliert hat, gibt es von mir schon die passende Antwort und zwei Sekunden später wird mir das erst bewußt. ;-)

    So und nun mal Scherz beiseite. Mir fiel da der freie Wille ein.

    "Und noch wichtiger: Was messen wir dann eigentlich mit der funktionellen Magnetresonanztomographie und anderen Verfahren, die entscheidend vom Blutfluss abhängen?"

    Es heißt ja, Sekunden nachdem ein Proband aufs Knöpfchen gedrückt hat, wird eine Erregung in den Hirnarealen des Bewußtsein sichtbar. Könnte es also sein, daß das Ereignis des Bewußtwerdens schon längst stattgefunden hat und die späteren "Aufräumarbeiten" gemessen werden? So ähnlich wie Blitz und Donner. Der Gedanke ist der Blitz und die Stoffwechselprozesse der Donner?

  7. Dietmar Hilsebein Antworten | Permalink

    @ Huhn

    Du bist der Größte -keine Frage! Ich hab mich schier gekringelt!!!!!! :-)))))))

  8. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    @ Helmut: Basic Neurochemistry

    Lieber Helmut,

    die 20% basieren nicht auf philosophischer Spekulation aus dem Lehnstuhl heraus, sondern harter neurochemischer Grundlagenarbeit.

    Der locus classicus ist Basic Neurochemistry, Molecular, Cellular and Medical Aspects von Siegel et al. (eds), inzwischen in der 6. Auflage erschienen und über Seiten des NIH online verfügbar.

    Das Verfahren ist hier beschrieben:

    Cerebral Energy Metabolism In Vivo

    Die Ergebnisse hier:

    Regulation of Cerebral Metabolic Rate

    Es ist etwas mühsam, darin zu browsen; das Buch habt ihr aber sicher auch in eurer Bibliothek.

    Viele Grüße

    Stephan

    P.S. Unwandelbarkeit ist vielleicht etwas übertrieben; es heißt ja nicht, dass es unter bestimmten Umständen etwas weniger verbraucht oder mal etwas mehr.

  9. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    Neurochemistry

    Danke auch an den guten Geist für die Korrektur der Internet-Links. Vielleicht sollte man aber dennoch hinzufügen, dass es um das Kapitel 31 in Teil 5 geht,

    Circulation and Energy Metabolism of the Brain

    von

    Donald D. Clarke und Louis Sokoloff.

    Danke :-)

  10. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    @Martin: Den Nagel auf den Kopf

    getroffen hast du. Wenn man überlegt, dass bei der Atmungskette CO2 entsteht, dann sollten wir schleunigst über Emissionsverminderung nachdenken; und wenn das Gehirn satte 20% verbraucht, dann ist hier der beste Ort, um damit anzufangen.

    Tatsächlich ist der Metabolismus im komatösen Gehirn auf ca. 50% verringert, im vegetativen Zustand sogar auf nur 40%.

    Aber, jetzt kommt's, halte dich fest: wenn jemand aus dem vegetativen Zustand aufwacht, steigt der Metabolismus auf knapp über 50% an.

    Es ist ja wohl offensichtlich klar, was das für die Energiesparpolitik heißt!

    Quelle: Laureys, S., Owen, A. M. & Schiff, N. D. (2004). Brain function in coma, vegetative state, and related disorders. Lancet Neurology 3, 540.

    P.S. Die Glykolyse gibt's auch im Muskel, wie du richtig feststellst, sowie in vielen anderen Lebewesen auch.

    P.P.S. Außerdem hast du ganz Recht, was die Zeitverschiebung angeht. Das Beispiel mit Blitz und Donner gefällt mir nicht schlecht; zur Willensfreiheit will ich mich aber nicht äußern.

    P³.S. Wenn du für das nächste Treffen dein Gehirn wie beschrieben aufputschst, dann darfst du dich aber nicht beschweren, wenn du wegen Magenbeschwerden zuhause bleiben musst.

  11. Helmut Wicht Antworten | Permalink

    Metabolische Raten

    Danke für das schicke Link - aber so ganz einig sind sich die Herren Physiologen auch nicht:

    "Cerebral O2 consumption continues unabated day and night. Even during sleep there is only a relatively small decrease in cerebral metabolic rate; indeed, it may even be increased in rapid eye movement (REM) sleep (see below)."

    ein paar Kapitel weiter:

    "Cerebral glucose metabolism is depressed more or less uniformly throughout the brain of rhesus monkeys in stages 2 to 4 of normal sleep."

    und weiter:

    "Convincing correlations between cerebral metabolic rate and mental activity have been obtained in humans in a variety of pathological states of altered consciousness."

    Ich werd' die "20 Prozent, egal was man denkt" jedenfalls un Zukunft mit etwas spitzeren Fingern anfassen.

  12. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    @ Helmut

    Hmm, hier hört mein Fachwissen nun aber auf; begrifflich ist es jedoch möglich, dass Glukosemetabolismus zumindest zum Teil von der Sauerstoffversorgung unterschiedlich ist, wenn ein Teil der Stoffwechselprozesse (wie die Glykolyse) im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung ohne Sauerstoff auskommt, oder nicht?

    Rätselt Stephan

  13. Helmut Wicht Antworten | Permalink

    @ Stephan

    Ja.
    Und je nachdem, on man die metabolische Rate über den O2- oder den Glucose-Verbrauch misst, wird man unterschiedliche Wert erhalten, weil man bei der O2-Messung die anaerobe Glykolyse nicht erfasst.

    Dennoch sollte man - was das Hirn angeht - die Rolle der anaeroben Glykolyse auch nicht ÜBERschätzen. Zum einen ist das Hirn wirklich auf die oxidative Decarboxylierung angewiesen -- (Sauerstoffmangel führt nach wenigen Sekunden zur Bewusstlosigkeit, nach Minuten zur irreversiblen Schädigung).

    Zum anderen - und das hat mit der Argumentation in Deinem Beitrag zu tun - sind die elektrischen Aktionen der Neurone (Aktionspotentiale (APs) etc.) ja gar nicht direkt ATP-abhängig. Ein Neuron ist ja so eien Art von Kodensator: ist's mal "geladen" (was allerdings Energie braucht), kann man ganze Salven von APs "entnehmen", ohne für jedes AP gleich nachladen zu müssen - solange, bis das Membranpotential soweit erschöpft ist, dass die spannungsabhängigen Kanäle nicht mehr funktionieren.

    Irgendwelche metabolischen Raten sind also wirklich nur ein SEHR indirektes Mass für elektrische Aktivität.

  14. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    @ Helmut: Danke

    Dem kann ich nur zustimmen.

    P.S. Raichle und Mintun schreiben im zitierten Artikel übrigens von ca. 15 Sekunden bis zur Bewusstlosigkeit wegen Sauerstoffmangels, beispielsweise beim Herzstillstand.

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