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 Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie