Der Energiemetabolismus des Gehirns öffnet den Blick auf verdeckte Eigenschaften von funktioneller Konnektivität

• Antragsteller: Professor Dr. Valentin Riedl
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273427765

Die systemischen Neurowissenschaften haben in den letzten Jahren neue Erkenntnisse zur funktionellen Hirnorganisation erzielt, indem die Untersuchung einzelner Hirnregionen auf weitverzweigte Hirnnetzwerke ausgeweitet wurde. Mit Methoden der funktionellen Konnektivität (FK) wurde eine Netzwerkarchitektur beschrieben, die sowohl universell bei verschiedenen Spezies auftritt, als auch charakteristische Veränderungen bei neuropsychiatrischen Erkrankungen zeigt. Trotzdem hat die FK gegenwärtig nur deskriptiven Charakter, da die zugrundeliegenden neurophysiologischen Prozesse noch weitgehen unverstanden sind. Hier sind vor allem 2 Aspekte zu nennen: 1) FK wird auf Daten der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) berechnet welche nur ein indirektes Korrelat neuronaler Aktivität liefert. 2) FK ist ein ungerichtetes Konnektivitätsmaß, welches zwar Aufschluss über gekoppelte Hirnregionen gibt, jedoch keine Aussage über die Richtung des Informationsflusses zulässt. Insofern sind entscheidende Aspekte neuronaler Aktivität in Bezug auf die FK noch unbekannt. Im Ruhezustand verbraucht das menschliche Gehirn ca. 20% der Energie des gesamten Körpers. Der Großteil dieser Energie wird für die Kommunikation zwischen Neuronen verwendet. Untersuchungen an einzelnen Nervenzellen haben gezeigt, dass der größte Energieverbrauch wiederum hauptsächlich postsynaptisch, also an der Zielzelle, verbraucht wird. Glukose ist der einzige Energielieferant des Gehirns und die systemische Erfassung des Glukoseverbrauchs erlaubt zwei mögliche Interpretationen in Bezug auf neuronale Signaltransduktion: 1) Der lokale Energieverbrauch sollte mit der Anzahl synaptischer Verbindungen steigen. 2) Das Energieprofil zweier funktionell verbundener Hirnregionen sollte am ehesten dem Konnektivitätsprofil der Zielregion entsprechen. In unserer Studie messen wir an einem integrierten Positronemissionstomografie (PET)/MR-Scanner gleichzeitig die FK und den lokalen Energieverbrauch im menschlichen Gehirn. Die simultan erhobenen Daten werden dann auf systemischer Ebene in Bezug auf die beiden Hypothesen zum Neurometabolismus und zur gerichteten FK untersucht. Sollte das zelluläre Modell auf die systemische Ebene skalieren, können wir so einerseits energetisch aufwendigen Verbindungen und andererseits die Richtung der Signaltransduktion in Hirnnetzwerken identifizieren. Unser grundlagenorientierter Ansatz sollte später auch zur Untersuchung pathologisch veränderter Hirnnetzwerke anwendbar sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen