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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
Molekulare Organisation des Gehirns (INM-2)
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Tagesbedingte metabolische Veränderungen im menschlichen Gehirn

Tagesbedingte zerebrale metabolische Veränderungen rücken zunehmend in den Fokus jüngster wissenschaftlicher Untersuchungen. Modalitäten wie PET, MRT, EEG und Verhaltenstests, bieten ein weites Spektrum an Untersuchungsverfahren, um Wach.- und Ermüdungszustände zu charakterisieren. Hier bietet die phosphorbasierte Magnetresonanzspektroskopie (31P-MRS) eine geeignete Methode, metabolische Veränderungen sogenannter High Energy Phosphate (HEP) wie die des Kreatinphsophats (PCr) bzw. Adenosintriphosphats (ATP) zu untersuchen.
Diesbezüglich wurde eine longitudinale Studie durchgeführt, bei der gesunde Probanden morgens, spätnachmittgas und während eines kurzen Mittagsschlafes untersucht wurden (Fig.1).

Diurnal metabolic changes in human brain


Fig.1: A. 30 gesunde Probanden wurden in zwei Messsitzungen am gleichen Tag, morgens um 9:00 sowie am Spätnachmittag um 17:00 untersucht. Im Anschluss an die Nachmittagsmessung wurden 15 Probanden während eines Mittagsschlafes gemessen. B. Sagittale und axiale Schnittebene überlagert von einem CSI 8 × 8 Voxelgrid (linke Hemisphäre ist auf der rechten Bildseite). C.31P Spektrum des Voxels positioniert im linken Thalamus.

Das Ergebnis der Studie zeigte eine tagesbedingte signifikante Abnahme des PCr im linken Thalamus, das nach einem kurzen Mittagsschlaf fast vollständig rückläufig war. Dabei verhielt sich das anorganische Phosphat Pi erwartungsgemäß inverse (Fig.2). Die Zunahme des Pi/PCr im linken Thalamus deutete zudem auf eine Lateralität der Thalamus Funktion hin.

Diurnal metabolic changes in human brain


Fig.2: Verlauf des PCr (A) and Pi (B) im linken Thalamus Voxel während der Messzeiten. Gepunktete Linie repräsentiert die Kontrollgruppe, die nicht geschlafen hat. C. Oben: PCr, Pi und γ-ATP Konzentrationen der einzelnen Voxel wurde quantifiziert. Unten: Pi/PCr Veränderungen während der 4 Messzeiten. Grüne gefüllte Keise: Veränderungen, die der Benjamini-Hochberg Korrektur nicht standgehalten haben.

Das Ergebnis bestätigt die Rolle des Thalamus als eine Region mit hohem Energieverbrauch, die gemäß der Erwartung, den Informationsfluss moduliert und weiterleitet. Im Gegensatz zum dynamisch-lateralen Verhalten im linken Thalamus, wurde eine über alle Messzeiten konstant anhaltende Lateralität in anderen Regionen beobachtet. Damit wurde gezeigt, dass die Steigerung der Müdigkeit im Laufe des Tages, auch eine Frage der zerebralen Energieversorgung ist. Die vergleichsweise kurze schlafbedingte schnelle Widerherstellung des PCr Levels unterstreicht insbesondere den Erholungswert des Mittagsschlafes.


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