Wie beeinflusst Energie die Gehirnfunktion?

Professor Tim Vogels vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) erhält 3 Millionen US-Dollar im Rahmen einer ambitionierten neuen Forschungsinitiative mit einem Gesamtvolumen von 80 Millionen Dollar.  Die auf zehn Jahre angelegte internationale Zusammenarbeit untersucht, wie Energie die Gehirnfunktion beeinflusst. Vogels bringt seine Expertise in computergestützten Neurowissenschaften ein, um besser zu verstehen, wie die Energieversorgung des Gehirns dessen Fähigkeit zur Informationsverarbeitung und zum Lernen beeinflusst.

Das menschliche Gehirn ist ein Meister des Energiemanagements. Es verbraucht etwa 20 Watt – ungefähr so viel wie eine schwach leuchtende Glühbirne – doch Wissenschafter:innen verstehen noch immer nicht vollständig, wie es diese Energie aufnimmt, verteilt und nutzt. Wie gleicht das Gehirn seinen Energiebedarf in Zeiten hoher Beanspruchung oder im Ruhezustand aus?

Hier kommt die neue „Simons Collaboration on Brain Energetics“ (SCOBE) ins Spiel.

Unter der Leitung von Thomas Clandinin von der Stanford University vereint die Initiative 26 Forschende aus den Vereinigten Staaten, Österreich, Großbritannien und Norwegen. Ihr Ziel ist es, zu verstehen, wie die Verfügbarkeit von Energie die Funktionen des Gehirns beeinflusst – von einzelnen Zellen bis hin zu komplexen neuronalen Netzwerken und Verhaltensweisen. Langfristig hofft das Projekt, einen Beitrag zur Beantwortung grundlegender Fragen über die Informationsverarbeitung im Gehirn, die Ursachen von Entwicklungsstörungen des Gehirns und sogar den Alterungsprozess zu leisten.

„Es ist eine große Ehre, Teil dieser ehrgeizigen Zusammenarbeit zu sein“, sagt Vogels. „Indem wir unser Fachwissen im Bereich der Computational Neuroscience einbringen, hoffen meine ISTA-Forschungsgruppe und ich, einige der großen offenen Fragen zum Gehirn anzugehen und ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie Energie die Funktionsweise, das Lernen und die Anpassungsfähigkeit des Gehirns beeinflusst.“

Brücke zwischen Energie und Gehirnaktivität

Der in München geborene Vogels ist dafür bekannt, eine der ersten Theorien darüber mitentwickelt zu haben, wie die inhibitorischen Verbindungen des Gehirns lernen. In jüngerer Zeit wandte er sich dem Energiehaushalt des Gehirns zu und stellte die These auf, dass Neuronen überschüssige Energie verbrennen, indem sie ihre eigene Aktivität steigern, um sich vor schädlichen Nebenprodukten eines langsamen Stoffwechsels zu schützen.

Diese Arbeit führte zur Einladung, sich SCOBE anzuschließen. Im Rahmen der Initiative wird die Vogels-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zu drei der vier definierten Forschungsbereichen beitragen. Ziel ist es, ein gemeinsames Verständnis des Energiestoffwechsels verschiedener Gehirnzellen zu entwickeln und zu klären, wie Zellstoffwechsel und neuronale Aktivität zusammenhängen.

Konkret werden Vogels und sein Team computergestützte Modelle entwickeln, die den Energiestoffwechsel in den Mitochondrien – den Kraftwerken der Zelle – mit der neuronalen Aktivität verknüpfen. Diese Modelle werden als Testumgebungen für Experimente anderer Forschender im Rahmen der SCOBE-Kooperation dienen.

Aufbauend auf diesen ersten Arbeiten wird die Vogels-Gruppe gemeinsam mit Gruppen an der Stanford University, am Allen Institute und an der Universität Oslo Modelle größerer neuronaler Netzwerke und deren Zusammenspiel entwickeln. Auf der Grundlage experimenteller Erkenntnisse aus der gesamten Kooperation wollen die Forschenden verstehen, wie der Energiebedarf das Lernen beeinflusst. „Wie viel Energie kostet es, eine Erinnerung zu bilden?“, fragt Chaitanya Chintaluri, Postdoc in der Vogels-Gruppe. „Wie viel kostet es, zu denken, aber auch sich auszuruhen und sogar zu träumen? Und wenn es so viel kostet, warum träumen wir dann?“

Wenn die Energie knapp wird – oder zu hoch ist

Ein weiterer Schwerpunkt von SCOBE ist die Frage, wie sich das Gehirn an Veränderungen der Energieverfügbarkeit anpasst, einschließlich Phasen metabolischen Stresses.

Die dem Gehirn zur Verfügung stehende Energiemenge kann aus verschiedenen Gründen schwanken, darunter chronische Erkrankungen wie Diabetes, verminderte Sauerstoffversorgung oder Schwangerschaft. Die Forschenden werden untersuchen, wie das Gehirn seine Funktionen aufrechterhält, wenn Energie knapp oder im Überfluss vorhanden ist, und was passiert, wenn Schutzmechanismen versagen.

Anhand von Daten von Kooperationspartner:innen in diesem Forschungsbereich wird die Vogels-Gruppe computergestützte Modelle entwickeln, die Energieangebot und -bedarf miteinander verknüpfen. Insbesondere wird das Team untersuchen, wie Neuronen und Gliazellen auf kurzfristige Veränderungen der Energiemetaboliten reagieren.

Computergestützte Expertise in die Praxis umsetzen

SCOBE bringt Experten aus den Bereichen Neurowissenschaften, Zell- und Molekularbiologie sowie Ingenieurwesen und Theorie zusammen. Die Forschung wird verschiedene Spezies und biologische Organisationsebenen umfassen und sich auf die computergestützten Ansätze stützen, die von der Vogels-Gruppe und anderen Theoretikern im Rahmen der Zusammenarbeit beigesteuert werden.

„Bisher haben nur wenige Forschungsarbeiten zur Gehirnenergetik einen theoretischen oder computergestützten Ansatz verfolgt, daher bin ich optimistisch, was wir durch die Anwendung fortschrittlicher Modellierungstechniken zur Integration verschiedener Datentypen lernen werden“, sagt Hannah Bayer, leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin für neurowissenschaftliche Kooperationen bei der Simons Foundation.