Experten haben die erste Karte der Verteilung von lebenswichtigen Strukturen, den Mitochondrien , im gesamten Gehirn erstellt, die unter anderem helfen könnte, altersbedingte Hirnstörungen zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass Mitochondrien, die energieproduzierenden Organellen der Zellen, je nach Art und Häufigkeit in verschiedenen Teilen des Gehirns in unterschiedlicher Menge vorhanden sind. So weisen evolutionär frühere Hirnregionen eine geringere Mitochondriendichte auf als neuere Regionen.
Die Karte, die die Forscher MitoBrainMap nennen, ist sowohl technisch beeindruckend als auch konzeptionell bahnbrechend, sagt Valentin Riedl, ein Neurobiologe an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen, der nicht an dem Projekt beteiligt war. Die Mitochondrien des Gehirns sind nicht nur Nebenfiguren. "Die Biologie des Gehirns ist, wie wir jetzt wissen, eng mit der Energetik des Gehirns verwoben", sagt Martin Picard, Psychobiologe an der Columbia University und Mitautor der Studie , die die Ergebnisse veröffentlicht. Das Gehirn ist für 20 Prozent des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers verantwortlich.
Mit einem Werkzeug, das eigentlich für die Holzbearbeitung verwendet wird, schnitten die Studienautoren ein einzelnes Stück gefrorenes Gehirn eines 54-jährigen Spenders, der an einem Herzinfarkt gestorben war, in 703 winzige Würfel. Jeder Würfel war 3 × 3 × 3 Millimeter groß, vergleichbar mit der Größe der Einheiten, aus denen Standard-3D-Bilder des Gehirns bestehen. "Die größte Herausforderung war, dass wir so viele Proben hatten", sagt Picard. Das Team setzte biochemische und molekulare Techniken ein, um die Dichte der Mitochondrien in allen 703 Bildern zu bestimmen. Bei einigen Proben schätzten die Forscher auch die Energieproduktionsleistung der Mitochondrien.
Um ihre Ergebnisse über einen einzelnen Hirnschnitt hinaus zu erweitern, entwickelten die Autoren ein Modell, das die Anzahl und Art der Mitochondrien im gesamten Gehirn schätzt. Zur Validierung ihres Modells verwendeten sie andere gefrorene Gehirnproben und stellten fest, dass das Modell die Zusammensetzung der Mitochondrien genau schätzte.
Das Modell zeigte Unterschiede in den mitochondrialen Profilen verschiedener Hirnregionen. So stellten die Autoren beispielsweise fest, dass die graue Substanz des Gehirns, die aus den kompakten zentralen Strukturen der Neuronen besteht, mehr als 50 % mehr Mitochondrien enthält als die weiße Substanz, die hauptsächlich aus den langen, nachrichtenübertragenden Fortsätzen der Neuronen besteht. Außerdem produzieren die Mitochondrien in der grauen Substanz effizienter Energie als die in der weißen Substanz. Die Mitochondrien in der grauen Substanz der Hirnrinde - der faltigen äußeren Schicht des Gehirns, die sich später auf dem evolutionären Weg von den Reptilien zu den Primaten entwickelte - waren besonders effizient.
Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass sich die Mitochondrien des Gehirns in den frühen Stadien bestimmter psychiatrischer Erkrankungen und altersbedingter Hirnerkrankungen verändern, sagt Nathalie Rochefort, Neurowissenschaftlerin an der Universität Edinburgh. Die neuen Daten werden es den Forschern ermöglichen, genauer zu untersuchen, wie sich die Mitochondrien in gefährdeten Hirnregionen verändern, erklärt sie.
Weitere Studien sind erforderlich, um die Variabilität der Mitochondrien im Gehirn und zwischen verschiedenen Gehirnen vollständig zu verstehen, so die Forscher. Das Forscherteam hat bereits ein größeres Projekt gestartet, um 9 Regionen von 500 menschlichen Gehirnen zu kartieren, was einen Vergleich der Mitochondrien im Gehirn von Personen mit und ohne neurologische, psychiatrische und neurodegenerative Erkrankungen ermöglichen würde.
