Das Gehirn hat einen hohen Energiebedarf und reagiert sehr empfindlich auf Sauerstoffmangel. LMU-Neurobiologen nun gelungen, zum ersten mal direkt in die Korrelation der Sauerstoff-Verbrauch mit der Aktivität bestimmter Nervenzellen.

Das Gehirn erfordert eine unverhältnismäßig große Menge an Energie im Vergleich zu seiner Körpermasse. Diese Energie wird vorwiegend erzeugt durch aerobe Stoffwechselprozesse verbrauchen erhebliche Mengen an Sauerstoff. Also, die Sauerstoff-Konzentrationen im Gehirn sind ein wichtiger parameter, der beeinflusst die Funktion der Nervenzellen und Gliazellen. Aber, wie viel Sauerstoff verbraucht wird, in das Gehirn und wie diese im Zusammenhang zu neuronalen Aktivität war bisher weitgehend unbekannt. LMU-Neurobiologen Hans Straka, Suzan Özugur, und Lars Kunz ist es nun gelungen, zum ersten mal in direkten Messung dieser im intakten Gehirn und korrelieren es mit Nerven-Zell-Aktivität. Die Wissenschaftler berichten über Ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift BMC Biology.

In einem bereits etablierten Tiermodell—Kaulquappen des krallenfroschs Xenopus laevis—die Wissenschaftler verwendeten elektrochemischen sensoren zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff im Gehirn, und in einer der Hirn-Ventrikel. Sie waren in der Lage, gezielt zu Steuern die Menge des verfügbaren Sauerstoff an das Gehirn als auch hemmen Nervenzellen-Aktivität mit Hilfe von pharmakologischen Substanzen. Am Beispiel der Nervenzellen, die Kontrolle der Augenbewegungen gelang es den Wissenschaftlern, die direkt der Aufnahme der Beziehung zwischen Sauerstoffverbrauch und Nerven-Zell-Aktivität.

„Wir haben herausgefunden, dass das Gehirn anoxischen in einem normalen Luft-gesättigten Umgebung, was bedeutet, dass kein Sauerstoff gemessen werden kann“, sagt Straka. Der komplette Sauerstoff war daher sofort verwendet werden, von den Zellen, die zur Synthese von energiereichen Substanzen. Wenn mehr als zweimal die atmosphärische Sauerstoffkonzentration zur Verfügung Stand, den Energie-Stoffwechsel gesättigt war und der Sauerstoff war reichlich vorhanden im Gehirn.

„Wir konnten auch zeigen, dass im normalen Betrieb nur etwa 50 Prozent Sauerstoff verwendet wird, für die Nerven-Zell-Aktivität“, sagt Straka. „Also die anderen 50% sind erforderlich für die Glia-Zellen und für die Aufrechterhaltung der grundlegenden Stoffwechsel der Nervenzellen. Aber Nervenzellen mit erhöhter Aktivität verbrauchen Sie mehr Sauerstoff.“