Ny forskning beskriver for første gang hjernens energiforsyning – Københavns Universitet

04. august 2016

Ny forskning beskriver for første gang hjernens energiforsyning

Hjernen

Ny forskning, som netop er publiceret i tidsskriftet Neuron, afslører, hvordan vores hjerne er i stand til at opfylde sit energibehov. Det sker via et fint justeret system, der leverer den ilt, der giver brændstof til vores nerveceller. Resultaterne kan kaste lys over neurologiske sygdomme som fx Alzheimers og forklare de kognitive vanskeligheder, der følger med sygdommen.

"Vores hjerner kræver meget energi. Derfor skal blodgennemstrømningen i hjernen være udrustet til at sikre, at ilten kommer hen, hvor det kræves, og hvor det er nødvendigt," siger professor Maiken Nedergaard, Center for Basic and Translational Neuroscience ved Københavns Universitet og University of Rochester, som står bag det nye studie. "Vores nye studie viser, at hjernens mindste blodkar spiller en afgørende rolle i forhold til at reagere på efterspørgslen på ilt og sætte gang i gennemstrømningen af blod for at kunne imødekomme nervecellernes aktivitet."

Hjernen kræver en femtedel af kroppens ilt
Hjernens energiforsyning kommer næsten udelukkende fra en form for stofskifte, der kræver ilt. Nervecellerne gemmer kun en lille mængde af energi og kræver derfor hele tiden tilførsel af ilt, især når de sender signaler og kommunikerer med deres naboer. Hjernen har nemlig et stort behov for ilt, og selvom den kun udgør 2 % af kroppen, bruger den 20 % af kroppens iltforsyning.

Forskere har længe vidst, at der er en direkte sammenhæng mellem hjernens aktivitet og dens blodgennemstrømning. Ved hjælp af billedteknologier har forskerne observeret, at når nerveceller begynder at bevæge sig, er der en tilsvarende stigning i blodgennemstrømningen til det område i hjernen, hvor nervecellerne er aktive.

Forskningen har imidlertid ikke tidligere kunnet gennemskue, hvordan blodcirkulationssystemet i hjernen bliver klar over, at det skal optrappe blodgennemstrømningen i forhold til den øgede efterspørgsel. Det er et vigtigt spørgsmål, fordi hjernen i modsætning til andre kropsdele befinder sig i et isoleret aflukke, som kan begrænse mængden af blod. Det betyder, at kredsløbet skal være nøjagtigt indstillet til konstant at omfordele og øge blodgennemstrømningen til de steder, hvor der er mest brug for det.

Hvis hjernen var et vejnet…
Det system, der sørger for blod til hjernen, kan sammenlignes med vejnettet i en by. Mens arterier er de vigtigste forsyningsruter ind i hjernen, leverer blodet ilt til slutdestination via et omfattende netværk af små kapillærer – også kaldet mikrokar - som gennemtrænger hjernevævet. Tidligere forskning har haft teorier om, at det er arterierne, der er ansvarlige for at reagere på den øgede efterspørgsel på ilt. Men Maiken Nedergaard og hendes kollegaer har nu fundet ud af at det er de røde blodlegemer i kapillærerne der øge blodgennemstrømningen. Det er her at de  røde blodlegemer er tættest på nervecellerne der bruger ilt, og de er derfor de første til at opdage et øget behov for ilt.

For at teste teorien skabte forskerne en miniature racerbane, der efterlignede kapillærer i hjernen. De røde blodlegemer var ved startlinjen i den ene ende af banen. Når iltniveauet i væsken uden for de kunstige kapillærer var høj, tog cellerne sig god tid til at komme over på den anden side. Men når ilten blev reduceret, racede blodcellerne i høj fart gennem banen. Forskerne udførte også forsøgene i hjernen på dyr, og resultatet er det samme.

Forsøgene viser, at blodlegemerne kan fornemme, når miljøet uden for kapillærerne mangler ilt. Iltmangelen opstår, når nervecellerne optager mere ilt for at generere energi, og blodcellerne reagerer ved at skynde sig for at levere mere. Det sker meget hurtigt - faktisk mindre end et sekund efter, at ilten bliver trukket ud af det omgivende væv.

Dette fænomen er unikt for kapillærerne på grund af deres størrelse. Deres tynde vægge betyder nemlig, at iltniveauerne i det tilstødende hjernevæv afspejles i kapillærerne, hvilket gør dem i stand til at reagere på iltbehovet.

Stor betydning for forståelsen af Alzheimers
Resultaterne kan have stor betydning for en række neurologiske lidelser, herunder Alzheimers. Forskningen viser, at blodgennemstrømningen i hjernen på mennesker, der har sygdommen, er svækket sammenlignet med raske hjerner. Vanskeligheden ved at levere den ilt, som er nødvendig for nervecellernes aktivitet, kan forklare de kognitive problemer, som blandt andet kendetegner sygdommen.

Hovedforfatter på studiet er professor Maiken Nedergaard. Medforfattere er Helen Shinru Wei, Nanhong Lou, Anna Gershteyn og Evan Daniel McConnel ved University of Rochester, Sitong Zhou, Yixuan Wang og Jiandi Wan ved Rochester Institute of Technology, Izad-Yar Daniel Rasheed ved Northwestern University, Kristopher Emil Richardson og Andre Francis Palmer ved Ohio State University, og Chris Xu på Cornell University. Studiet er støttet af National Institute of Neurological Disorders and Stroke, Novo Nordisk Foundation og EU's Horizon 2020 Forsknings- og Innovationsprogram.

Kontakt:
Professor Maiken Nedergaard, Center of Basic and Translational Neuroscience
Mail: Nedergaard@sund.ku.dk
Mobil: 93 56 53 13

Seniorkonsulent Kristine Snedker
Mail: Kristine.snedker@sund.ku.dk
Mobil: 23 64 88 42