Die Untersuchung der metabolischen Kosten neuronaler Aktivität
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der neuronale Metabolismus ist von großem Interesse, da das Gehirn eine erhebliche Menge der Energie des Körpers beansprucht. Und trotzdem ist der Zusammenhang zwischen ATP-Bedarf und elektrischer Aktivität nur in wenigen Gehirnregionen untersucht. Wir haben auditorische Hirnstammkerne aus zwei Gründen gewählt: (1) Sie repräsentieren biophysikalische Extrema als Grundlage für ihre physiologische Funktion; (2) Sie enthalten nur einen Neuronentyp, wodurch eine einfache Zuordnung möglich ist. Wir haben den medialen Nukleus des Trapezkörpers (MNTB) studiert, der als zentrale Schaltstelle Signale über einen großen Frequenzbereich zuverlässig weiterleitet. Zum Vergleich haben wir Neurone in der lateralen superioren Olive (LSO), einem anderen auditorischen Kern, untersucht, die ebenfalls einen breiten Bereich von Feuerraten und zusätzlich einen sehr niedrigen Membranwiderstand zeigen. Unser Fokus lag auf der metabolischen Anpassung von MNTB-Neuronen an ihre sehr variable Feuerrate. Hierzu wurden NADH und FAD durch Autofluoreszenz-Imaging und O2-Konzentrationen mithilfe eines elektrochemischen Sensors in akuten Hirnschnitten des Mongolischen Gerbils (Meriones unguiculatus) gemessen. Als wir schnelle metabolische Veränderungen durch elektrische Aktivität verfolgten, konnten wir oxidative Phosphorylierung (OxPhos) als hauptsächlichen ATP erzeugenden Mechanismus identifizieren. Allerdings gewinnen mit steigender Feuerrate auch andere Prozesse an Bedeutung. Dieser Befund ist relevant für die Interpretation von Neuroimaging-Daten, die oft auf O2-Änderungen beruhen. Wir untersuchten nicht nur metabolische Veränderungen während elektrischer Aktivität, sondern auch in Ruheperioden ohne Aktionspotenziale. Dies ist von Bedeutung, da unsere Berechnungen des ATP-Verbrauchs ergeben haben, dass auditorische Neuronen deutlich mehr ATP für die Aufrechterhaltung des Membranpotenzials als für das Feuern verbrauchen. Wir fanden, dass energetisch teure auditorische Neurone unterschiedlich auf den Entzug von Glukose reagieren. Dies deutet auf Nukleus spezifische Spezialisierungen des neuronalen Metabolismus hin – eine Erkenntnis wichtig für die Interpretation von Neuroimaging-Daten. In beiden Nuklei kann Laktat bei Glukose- Abwesenheit als Nährstoff genutzt werden; mit einem stärkeren Effekt in der LSO. Da die metabolischen Antworten sehr komplex sind, haben wir ein Computermodell des neuronalen Metabolismus entwickelt, welches die biophysikalischen Besonderheiten auditorischer Neurone berücksichtig. Das Modell kann denn Metabolismus sowohl in Ruhe als auch während stimulierter Aktivität beschreiben. In der Zukunft wird das Modell substantiell zu einem besseren Verständnis und der besseren Planung von Experimenten beitragen. Wir denken, unsere Erkenntnisse sind nicht nur relevant für die Interpretation von Neuroimaging- Daten sondern auch für verschiedene Neuropathologien mit metabolischer Komponente.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Relationship between oxygen consumption and neuronal activity in a defined neural circuit. BMC Biology, 18(1).
Özugur, Suzan; Kunz, Lars & Straka, Hans
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Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity. iScience, 24(10), 103158.
Özugur, Suzan; Chávez, Myra N.; Sanchez-Gonzalez, Rosario; Kunz, Lars; Nickelsen, Jörg & Straka, Hans
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Transcardial injection and vascular distribution of microalgae in Xenopus laevis as means to supply the brain with photosynthetic oxygen. STAR Protocols, 3(2), 101250.
Özugur, Suzan; Chávez, Myra N.; Sanchez-Gonzalez, Rosario; Kunz, Lars; Nickelsen, Jörg & Straka, Hans
