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Obwohl das Gehirn nicht mehr als zwei Prozent des gesamten Körpergewichts ausmacht, beansprucht es rund zwanzig Prozent des totalen Energieumsatzes. Warum genau das so ist und wie der Energiestoffwechsel des Hirns funktioniert, ist noch weitgehend unklar. Bekannt ist hingegen, dass dieser Stoffwechsel bei vielen Krankheiten des Hirns wie zum Beispiel bei Parkinson oder Alzheimer gestört ist. Weltweit leiden rund zwei Milliarden Menschen an Hirnerkrankungen, allein in Europa sind es etwa 50 Millionen.
Zahlreiche In-vivo-Studien mit bildgebenden Verfahren waren bisher nicht in der Lage, die Energieflüsse im Hirn auf Zellebene wiederzugeben. Anand Singh, Doktorand am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Zürich, verfolgt in seiner Arbeit einen anderen Ansatz: die mathematische Modellierung.
Bereits während des Studiums am Indian Institute of Technology in seiner Heimatstadt, der indischen Metropole Mumbai, beschäftigte sich Singh mit der Modellierung von Stoffwechselvorgängen mit Hilfe der Flux Balance Analysis (FBA). Die FBA ist eine effiziente Methode, um den Stoffwechsel in einfachen biologischen Systemen und Mikroorganismen zu beschreiben. Der Chemieingenieur Singh befasste sich in Mumbai mit den Vorgängen in einem Pilz und berechnete die Stoffflüsse, die zu einer maximalen Wachstumsrate führen.
Erst kürzlich haben Forscher die FBA auch erstmals angewendet, um den komplexen Metabolismus im Hirn zu untersuchen. Singh ist nun als Doktorand am Institut für Pharmakologie und Toxikologie bei Professor Bruno Weber und Renaud Jolivet daran, die Anwendung von FBA beim Hirn zu erweitern und zu verbessern.
Das menschliche Hirn besteht etwa je zur Hälfte seines Gewichtes aus Neuronen und aus Gliazellen. Zu den Gliazellen gehören verschiedene Zellarten, wobei die Astrozyten oder Sternzellen die wichtigste Gruppe darstellen. Lange ging man davon aus, dass lediglich den Neuronen eine funktionelle Bedeutung zukomme und die Gliazellen einzig eine Art Leim darstellten, der die Neuronen zusammenhalte. Seit einiger Zeit weiss man jedoch, dass die Astrozyten bei vielen Prozessen im Hirn eine bedeutende Rolle spielen. So auch beim Energiehaushalt. Man vermutet, dass die Astrozyten die Neuronen mit Energie versorgen und die Energiezufuhr je nach Hirnaktivität regulieren. Das genaue Zusammenspiel von Astrozyten, Neuronen und der Blutversorgung im Hirn ist aber noch unbekannt. Ebenso unklar ist, wie sich der Austausch von Nährstoffen zwischen den Zellen und dem Blut mit unterschiedlicher Hirnaktivität verändert.
Singh simuliert die Stoffwechselvorgänge während vier verschiedener Zustände der Hirnaktivität: sehr tiefe und normale Narkose, normaler Wachzustand und maximale Aktivität wie zum Beispiel während einem epileptischen Anfall. Für die Modellierung berücksichtigt er Hunderte von Stoffwechselprodukten und -reaktionen in den Zellen. Neben der FBA verwendet Singh genetische Algorithmen, eine Methode, die auf der natürlichen Evolution basiert und verwendet wird, um optimale, das heisst minimale oder maximale Lösungen eines Problems zu finden. «Das Schwierige daran ist, dass wir mehr unbekannte Parameter haben als bekannte, doch diese Ausgangslage ist typisch für mathematische Ansätze in der Biologie», erklärt Singh.
Das ist nicht das einzige Projekt, an dem Singh beteiligt ist. Er arbeitet ausserdem zusammen mit Forschern der ETH Lausanne (EPFL) daran, den Energieverbrauch der einzelnen Zellen und Hirnaktivitäten zu ermitteln. Diese Arbeit ist Teil des Blue Brain Projects, einer Kooperation zwischen der EPFL und der Firma IBM, in der zum ersten Mal versucht wird, mit Computermodellen die Funktionsweise des Rattenhirns zu simulieren.
