Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Energiesparen beginnt im Kopf

11.09.2009
Elektrische Signale im Gehirn kosten weniger Energie als erwartet

Die Leistungsfähigkeit des Gehirns hat seinen Preis: Sie benötigt sehr viel Energie. Wissenschaftler haben nun jedoch herausgefunden, dass elektrische Signale, die der Fortleitung von Information dienen, im Säugerhirn sehr effizient sind.

Demnach verbrauchen Nervenzellen von Säugern für diese sogenannten Aktionspotenziale ca. 3-mal weniger Energie als bisher aufgrund von klassischen Arbeiten am Tintenfisch angenommen: Während dieser pro Aktionspotenzial 4-mal mehr Energie als theoretisch notwendig umsetzt, sind es bei Säugern lediglich 1,3-mal mehr. (Science, 11. September 2009)

Das menschliche Gehirn benötigt etwa 1,5-mal so viel Energie pro Zeit wie das Herz, rund die Hälfte davon für den normalen Stoffwechsel der Nervenzellen. Von der verbleibenden Hälfte wird ein Teil zur Bildung elektrischer Signale aufgewendet, mit denen die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Das für die Gehirnfunktion besonders bedeutungsvolle Aktionspotenzial entsteht durch den Ein- und Ausstrom von elektrisch geladenen Atomen (Ionen). Dabei strömen positiv geladene Natrium-Ionen durch Proteine in der Zellmembran (Natriumkanäle) in die Nervenzelle und laden das ursprünglich elektrisch negative Zellinnere positiv auf (Abb.). Positiv geladene Kalium-Ionen fließen durch Kaliumkanäle aus dem Zellinnern nach außen und lassen die Nervenzelle wieder negativ werden.

Zeitlicher Verlauf der Ionenströme bestimmt Energieverbrauch

Um nach einem Aktionspotenzial die ursprüngliche Ionenverteilung wieder herzustellen, müssen Natrium-Ionen unter Energieaufwand aus der Zelle hinaus und Kalium-Ionen hinein gepumpt werden. Ihr Energiebedarf hängt daher eng damit zusammen, wann wie viele Ionen ein- und ausströmen. Forscher vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt und der Universität London haben deshalb diese Ionenströme in Nervenfasern (Axonen) in der Hippocampus-Region des Rattengehirns untersucht. Diese Axone sind wie die meisten anderen in der Hirnrinde von Säugern nicht von Hilfszellen umwickelt (unmyelinisiert) und stehen im Verdacht, wegen der ungünstigen Abfolge der Ionenströme während des Aktionspotenzials sehr viel Energie zu benötigen.

Die Wissenschaftler haben nun allerdings festgestellt, dass die Ionenströme energiesparend zusammenspielen: Der Natrium-Einstrom und der ihm entgegenwirkende Kalium-Ausstrom überlappen zeitlich nur wenig. Verantwortlich dafür ist das genau abgestimmte Öffnen und Schließen der Natrium- und Kaliumkanäle. Deshalb fließt Computersimulationen zufolge nur 1,3-mal mehr Natrium in die Zelle als theoretisch notwendig. "Die Zelle müsste deutlich mehr Energie für das Zurückpumpen aufwenden, wenn viele Natrium- und Kalium-Ionen gleichzeitig fließen würden, ohne einen elektrischen Netto-Effekt zu haben. Entscheidend für einen niedrigen Energieverbrauch ist deshalb, dass der Natrium-Einstrom möglichst wieder gedrosselt wird, bevor die ausströmenden Kalium-Ionen die positivierende Wirkung der Natrium-Ionen aufheben", erklärt Henrik Alle vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung. Abschätzungen der Forscher zufolge erfordert die Signalübertragung an den Kontakten zwischen Nervenzellen, den Synapsen, ca. 6-mal so viel Energie wie die Signalfortleitung mittels Aktionspotenzialen zu den Kontaktstellen hin.

Effizienter Umgang mit Energie begrenzt hohen Energiebedarf

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass zumindest diese unmyelinisierten Nervenzellfortsätze von Säugetieren sehr viel effizienter Aktionspotenziale bilden als bisher angenommen. Wir schätzen es aber als sehr wahrscheinlich ein, daß unmyelinisierte Axone in der Hirnrinde generell energieeffiziente Aktionspotenziale bilden. Möglicherweise hat dies dazu beigetragen, dass sich komplexe Gehirne wie die der Säuger entwickeln konnten", vermutet Henrik Alle. Denn das menschliche Gehirn ist im Vergleich zu vielen anderen Organen ein Energiefresser: Obwohl es beim Erwachsenen nur etwa 2% des Körpergewichts ausmacht, ist es für fast 20% des Energieverbrauchs des Körpers verantwortlich. Ohne die jetzt entdeckte Effizienz wäre der Verbrauch noch höher.

Die von der Hertie-Stiftung geförderte Studie verändert nicht nur die Sicht der Wissenschaftler auf Zusammenhänge von Energie und Informationsverarbeitung im Gehirn und auf Modelle von Ionenkanälen, sie hat auch praktische Bedeutung: Mit ihrer Hilfe lassen sich Signale bildgebender Verfahren, die auf aktivitätsabhängigen Änderungen des lokalen Energieverbrauchs im Gehirn basieren wie die funktionelle Kernspintomografie künftig genauer interpretieren.

Originalveröffentlichung:

Henrik Alle, Arnd Roth, Jörg R. P. Geiger
Energy-Efficient Action Potentials in Hippocampal Mossy Fibers
Science, 11. September 2009
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Henrik Alle
Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt/Main
Tel.: +49 (0)69 967 69-751
E-Mail: alle@mpih-frankfurt.mpg.de

Dr. Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Im Focus: Revolution der Rohre

Forscher*innen des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg lassen Rohrleitungen, Schläuchen oder Behältern in Zukunft regelrecht Ohren wachsen. Sie entwickelten ein innovatives akustisches Messverfahren, um Ablagerungen in Rohren frühzeitig zu erkennen.

Rückstände in Abflussleitungen führen meist zu unerfreulichen Folgen. Ein besonderes Gefährdungspotential birgt der Biofilm – eine Schleimschicht, in der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos

22.06.2018 | Physik Astronomie

Roboter zeichnet Skizzen von Messebesuchern

22.06.2018 | Messenachrichten

Wärmestrahlung bei kleinsten Teilchen

22.06.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics