Geht das Gehirn in den Standby-Modus, wenn die metabolische Energie niedrig ist?

Durch die Verwendung eines computergestützten Modells zur Untersuchung eines Elektroenzephalogramms (EEG), einer sogenannten Burst-Unterdrückung, glauben Forscher in den USA, dass sie einen fundamentalen Mechanismus dafür entwickelt haben, wie sich das Gehirn verhält, wenn die metabolische Energiezufuhr zu den Gehirnzellen niedrig ist. Es ist, als ob Burst-Unterdrückung eine Art intermittierender Standby-Modus ist, bei dem eine Periode intensiver Aktivität von einer Periode der Inaktivität gefolgt wird, die anhält, bis genug metabolische Energie vorhanden ist, damit Zellen wieder aktiv werden können.
Die Forscher vom Massachusetts General Hospital (MGH) in Boston berichten am 7. Februar über ihre Entdeckung PNAS Frühe Ausgabe. Sie hoffen, dass es hilft, das Design von Anästhetika zu verbessern und das Gehirn zu schützen.
Burst-Unterdrückung ist ein Elektroenzephalogramm (EEG) -Gehirnmuster, bei dem Episoden von Hochspannungsaktivität (die Bursts) sich mit Perioden stark reduzierter Aktivität abwechseln, die 10 Sekunden oder länger andauern.
Burst-Unterdrückung tritt unter einer Reihe von Bedingungen auf, wie beispielsweise induzierte Hypothermie, eine medizinische Behandlung, bei der Ärzte das Gehirn eines Patienten in einen Zustand geringer Aktivität versetzen, um es vor Schaden zu schützen, der durch Trauma oder reduzierten Blutfluss verursacht wird. Es wurde auch in tiefer Vollnarkose, bei Komas, bei Babys mit schweren neurologischen Entwicklungsstörungen und bei einigen Frühgeborenen kurzzeitig beobachtet.
Frühere Studien haben sich darauf konzentriert, die EEG-Muster der Burst-Unterdrückung und die Wirkung externer Reize auf das Gehirn in diesem Zustand zu untersuchen. Aber noch hatte keiner versucht zu erklären, was der zugrundeliegende zelluläre Mechanismus sein könnte.
Seniorautor Dr. Emery Brown von der MGH-Abteilung für Anästhesie, Intensivmedizin und Schmerzmedizin sagte der Presse:
"Die scheinbar unzusammenhängenden Gehirnzustände, die zur Burst-Unterdrückung führen - tiefe Anästhesie, Koma, Hypothermie und einige Entwicklungshirnstörungen - stellen alle einen depressiven Stoffwechselzustand dar."
"Wir glauben, dass wir etwas Grundlegendes über Hirnneurochemie, Neuroanatomie und Neurophysiologie identifiziert haben, das uns helfen könnte, bessere Therapien für den Hirnschutz zu planen und zukünftige Anästhetika zu entwickeln", fügte er hinzu.
In ihrer Studie schlagen Brown und Kollegen einen "vereinheitlichenden Mechanismus" für die Burst-Unterdrückung vor, der alle Bedingungen berücksichtigt, unter denen er beobachtet wird.
Um den Mechanismus zu untersuchen, entwickelten sie ein computergestütztes "biophysikalisches Modell", das alle Bedingungen (induzierte Hypothermie, Koma usw.) gemeinsam hatte: eine signifikante Reduktion des metabolischen Zustands des Gehirns.
Das Gehirn funktioniert, weil Signale von einer Zelle zur anderen gelangen. Damit das passiert, muss die elektrische Chemie stimmen: Zwischen Natriumionen außerhalb der Zelle und Kaliumionen in der Zelle muss ein Gleichgewicht bestehen.
Das Gleichgewicht wird durch "Ionenpumpen" gesteuert, die durch ATP angetrieben werden, das Molekül, das den Zellen Energie zuführt.
Als sie mit dem Modell herumspielten, entdeckten die Forscher, dass, wenn die Energiezufuhr zu niedrig ist und nicht genug ATP zur Verfügung steht, die Zellen Kalium verlieren, und dies stoppt die Signale.
"In jedem Fall lässt das Modell darauf schließen, dass eine Abnahme der Hirnstoffwechselrate in Verbindung mit den stabilisierenden Eigenschaften der ATP-gesteuerten Kaliumkanäle zu den charakteristischen Epochen der Suppression führt", schreiben sie.
Leitender Autor Dr. ShiNung Ching, ein Postdoktorand in Browns Labor, sagte:
"Es sieht so aus, als ob die Burst-Unterdrückung das Gehirn in einen veränderten physiologischen Zustand versetzt, um die Regeneration von ATP, dem essentiellen metabolischen Substrat, zu ermöglichen."
"Während der Suppression versucht das Gehirn genug ATP wieder zu aktivieren, um neu zu starten. Wenn das Substrat nicht schnell genug regeneriert, hat das System diese kurzen Ausbrüche von Aktivität, stoppt und muss sich dann wieder erholen", sagte Ching.
Das Modell legt nahe, dass die Länge der Burst-Unterdrückung davon abhängt, wie lange es dauert, ATP-Level wiederherzustellen. Dies entspricht dem, was bei der Anästhesie zu geschehen scheint: je tiefer die Anästhesie, desto länger die Unterdrückung.
Brown sagte, wenn sie Vollnarkose verwenden, um Koma bei Patienten mit schweren neurologischen Verletzungen zu induzieren, so dass ihre Gehirne heilen können, nehmen sie sie auf ein Niveau der Burst-Unterdrückung.
"Aber es gibt eine Menge Fragen darüber, wie tief ein einzelner Patient anästhesiert werden sollte - wie oft die Ausbrüche auftreten sollten - und wie lange wir diesen Zustand beibehalten sollten", erklärte er.
Das Modell könnte ihnen helfen, mehr über das zu erfahren, was ein grundlegender Weg zur Erhaltung der Energie im Gehirn zu sein scheint, und darum, wie man die Burst-Unterdrückung am besten einsetzt, um das induzierte Koma zu steuern und die Erholung zu verfolgen, sagte Brown.
"Dies ist auch ein großartiges Beispiel dafür, wie das Studium der Anästhesie uns helfen kann, etwas sehr grundlegendes über das Gehirn zu lernen", fügte er hinzu.
Geschrieben von Catharine Paddock

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