Wie funktioniert die Messung des Energieverbrauchs des Gehirns? Wissenschaftliche Methoden?

Question

Gestern wurde in einer Dokumentation gesagt, dass das Gehirn eines Mannes ca. 1,4 kg wiegt, jedoch 20 % der Energie verbraucht.

Die Messung des Gewichtes erfolgt per Waage.

Doch wie erfolgt die exakte Messung des Energieverbrauchs des Gehirns? Welche Methoden werden hierfür eingesetzt?

Ein paar Hinweise aus eigener Recherche:

Gehirnstoffwechsel, Hirnstoffwechsel, Stoffwechsel des Gehirns, Metabolismus des Gehirns, E-brain metabolism, Bezeichnung für alle im Gehirn ablaufenden (bio-)chemischen Reaktionen (Stoffwechsel). Für diese Reaktionen benötigt das Gehirn etwa ein Fünftel des gesamten vom Organismus aufgenommenen Sauerstoffs, obwohl es nur ein Fünfzigstel des Körpergewichts ausmacht. Der Energieumsatz des Gehirns eines Erwachsenen beträgt etwa 20 Watt, wozu pro Minute 7 mMol ATP (Adenosintriphosphat) synthetisiert werden müssen.

Quelle: https://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/gehirnstoffwechsel/4122

Glukosestoffwechsel - Der Energieverbrauch des Gehirns liegt höher als der aller anderen Organe, zumindest im Ruhezustand. Unter Normalbedingungen verbraucht das menschliche Gehirn mit ca. 2 % der Gesamtkörpermasse über 20 % des Sauerstoffumsatzes, bei Kindern sogar bis zu 50 %. Die Sauerstoffverbrauchsrate eines durchschnittlichen Gehirns von 1400 g liegt bei 2,2 mMol/min, entsprechend 156 μMol/min · 100 g. \) Die CO_{2}-Produktionsrate liegt ebenfalls bei 156 μMol / min · 100 g, was auf eine ausschließliche Verwendung des Sauerstoffverbrauchs zur Verbrennung von Kohlehydraten hinweist (SokoLoFF 1986).

Quelle: https://books.google.de/books?id=MuioBgAAQBAJ

Messung des "Grundumsatzes"

Durch Methoden der Kalorimetrie lässt sich der Grundumsatz direkt über die abgegebene Wärmemenge oder indirekt über den Sauerstoffverbrauch messen. (...)
Stattdessen wird heute in der medizinischen Praxis mit Spirometern der Atemstrom des Probanden gemessen und daraus das Volumen der Atemluft, der Sauerstoffverbrauch und aus beidem schließlich der Grundumsatz selbst ermittelt.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Grundumsatz

Aber wie wird exakt gemessen, wenn es nur um das Gehirn geht?

Answer 1

Salut Kai,

Doch wie erfolgt die exakte Messung des Energieverbrauchs des Gehirns? Welche Methoden werden hierfür eingesetzt?

Dass Gehirnprozesse unglaublich viel Energie in Form von Sauerstoff und Glukose verschlingen, dürfte bekannt sein. Um nun diese Vorgänge zu messen, bietet sich das PET - Verfahren an. (PET bedeutet Positronen - Emissions - Tomografie.)

Hierbei werden radioaktive Glukose - Moleküle in den Blutkreislauf injiziert, deren radioaktive Kerne innerhalb kurzer Zeit zerfallen. Vonstatten geht dieser Vorgang unter Emission eines Positrons, also eines positiv geladenen Antiteilchens des Elektrons. Kommt es nun zu einem Zusammenstoß zwischen diesem Positron und einem weiteren Elektron, löschen sich beide gegenseitig aus, unter Hervorbringung hochenergetischer Gammaquanten bzw. Photonen. Mit speziellen Sensoren kann man nun diese Gammaquanten nachweisen und messen. Dabei zeigt sich, dass die meisten Gammaquanten im Gehirn ermittelt werden, also dort, wo die radioaktiven Glukose - Moleküle am stärksten verbraucht werden.

Man glaubt es kaum, aber auch im Rahmen eines Musikstudiums wird über den Energieverbrauch des menschlichen Gehirns doziert :)).

Schöne Grüße :)