میزان اکسیژن مورد نیاز مغز اندازهگیری شد
محققان دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ آلمان برای نخستین بار میزان اکسیژنی را که مغز به آن نیاز دارد، اندازهگیری کردهاند.
مغز تقاضای انرژی بالایی دارد و نسبت به کمبود اکسیژن بسیار حساس است و به سرعت به آن واکنش نشان میدهد. متخصصان مغز و اعصاب دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ آلمان (LMU) اکنون برای اولین بار موفق به دریافت ارتباط مستقیم مصرف اکسیژن با فعالیت سلولهای عصبی خاص شدهاند.
مغز با توجه به به جرم خود نسبت به بقیه اعضای بدن به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد. این انرژی عمدتا توسط فرآیندهای متابولیک هوازی تولید میشود که مقادیر قابل توجهی اکسیژن مصرف میکنند. بنابراین، غلظت اکسیژن در مغز یک پارامتر مهم است که بر عملکرد سلولهای عصبی و سلولهای گلیال تأثیر میگذارد.
با این حال، اینکه چقدر اکسیژن در مغز مصرف میشود و این موضوع چه ارتباطی با فعالیت عصبی مغز دارد، تاکنون ناشناخته مانده بود. هانس استراکا، سوزان اوزگور و لارس کونز متخصصان مغز و اعصاب LMU اکنون برای اولین بار موفق به اندازهگیری آن شدهاند و نتایج خود را در مجله BMC Biology منتشر کردهاند.
دانشمندان در یک مدل حیوانی (قورباغه) از حسگرهای الکتروشیمیایی برای تعیین غلظت اکسیژن در مغز و یکی از بطنهای مغز استفاده کردند. آنها توانستند به طور مشخص میزان اکسیژن در دسترس مغز را کنترل کنند و همچنین فعالیت سلولهای عصبی را با کمک مواد دارویی مهار کنند.
دانشمندان با استفاده از نمونه سلولهای عصبی که حرکات چشم را کنترل میکنند، موفق شدند رابطه بین مصرف اکسیژن و فعالیت سلولهای عصبی را به طور مستقیم ثبت کنند.
استراکا میگوید: ما دریافتهایم که در شرایطی که مغز با هوا اشباع شده، میزان اکسیژن قابل اندازهگیری نیست.
بنابراین تمام اکسیژن بلافاصله توسط سلولها برای سنتز مواد غنی از انرژی مورد استفاده قرار گرفت. اگر بیش از دو برابر غلظت اکسیژن اتمسفری وجود داشته باشد، متابولیسم انرژی اشباع شده و اکسیژن به وفور در مغز وجود دارد.
استراکا میگوید: ما همچنین توانستیم نشان دهیم که در حین عملکرد طبیعی فقط حدود ۵۰ درصد از اکسیژن برای فعالیت سلولهای عصبی استفاده میشود. بنابراین ۵۰ درصد دیگر برای سلولهای گلیال و برای حفظ میزان متابولیک اساسی سلولهای عصبی مورد نیاز است. با این وجود سلولهای عصبی با افزایش فعالیت اکسیژن بیشتری مصرف میکنند.
برای درک بهتر چگونگی پردازش اطلاعات در مغز، آگاهی از رابطه بین در دسترس بودن اکسیژن و فعالیت مغز ضروری است. نتایج دانشمندان بینش اولیه را در این مورد ارائه میدهد و مبنای مهمی برای بررسیهای بیشتر تعادل انرژی مغز در آزمایشهای آینده و اندازه گیری میزان مصرف اکسیژن برای عملکردهای مختلف سلولهای عصبی است. این تحقیق همچنین میتواند برای درک بهتر پیامدهای کمبود اکسیژن در مغز یا تفسیر بهتر اطلاعات مربوط به فعالیت مغز به دست آمده با تکنیکهای تصویربرداری مفید باشد.
The brain has a high energy demand and reacts very sensitively to oxygen deficiency. LMU neurobiologists have now succeeded for the first time in directly correlating oxygen consumption with the activity of certain nerve cells.
The brain requires a disproportionate amount of energy compared to its body mass. This energy is mainly generated by aerobic metabolic processes that consume considerable amounts of oxygen. Therefore, the oxygen concentrations in the brain are an important parameter that influences the function of nerve cells and glial cells. However, how much oxygen is consumed in the brain and how this is related to neuronal activity was so far largely unknown. LMU neurobiologists Hans Straka, Suzan Özugur, and Lars Kunz have now succeeded for the first time in directly measuring this in the intact brain and correlating it with nerve cell activity. The scientists report on their results in the journal BMC Biology.
In an already established animal model—tadpoles of the clawed frog Xenopus laevis—the scientists used electrochemical sensors to determine the concentration of oxygen in the brain and in one of the brain ventricles. They were able to specifically control the amount of oxygen available to the brain as well as inhibit nerve cell activity with the help of pharmacological substances. Using the example of nerve cells that control eye movements, the scientists succeeded in directly recording the relationship betweenoxygen consumption and nerve cell activity.
“We have found that the brain is anoxic in a normal air-saturated environment, which means that no oxygen can be measured,” says Straka. The complete oxygen was therefore immediately used by the cells to synthesize energy-rich substances. If more than twice the atmospheric oxygen concentration was available, the energy metabolism was saturated and oxygen was abundantly present in the brain.
“We were also able to show that during normal operation only about 50 percent of the oxygen is used for nerve cell activity,” says Straka. “So the other 50 percent are required for glial cells and for maintaining the basic metabolic rate of nerve cells. However, nerve cells with increased activity consume more oxygen.”
In order to better understand how information is processed in the brain, knowledge of the relationship between oxygen availability and brain activity is essential. The scientists’ results provide initial insight into this and are an important basis for further investigations of the brain’s energy balance in future experiments and for measuring oxygen consumption for various nerve cell functions. This could also be relevant from a medical point of view, for example to better understand the consequences of oxygen deficiency in the brain or to better interpret the information onbrain activity obtained with imaging techniques.
