Vom Einfluss der Energie auf die Gehirnfunktion

Eine auf 10 Jahre angelegte internationale Zusammenarbeit wird untersuchen, wie Energie die Gehirnfunktion beeinflusst. Professor Tim Vogels, vom Institute of Science and Technologie Austria (ISTA) bringt seine Expertise in computergestützten Neurowissenschaften ein, um besser zu verstehen, wie die Energieversorgung des Gehirns dessen Fähigkeit zur Informationsverarbeitung und zum Lernen beeinflusst.

Klosterneuburg/Austria, 2. November 2026. – Energie jeglicher Form ist vielleicht das wichtigste Grundelement das Menschen benötigen, um daraus in irgendeiner Form Vitalität zu schöpfen. Das Gehirn des Menschen ist wahrlich meisterhaft wenn es darum geht, die Energie zu managen. Dennoch, Forschende rätseln noch immer wie das Gehirn mit Energie umgeht, wie diese aufgenommen wir, sie verteilt wird und unter welchem Nutzen sie zum Einsatz gelangt. Wie erfolgt ein Ausgleich wenn es zuvor stark belastet wurde, oder in Ruhephasen war?

Forschende aus den USA, Österreich, Großbritannien und Norwegen haben sich zum Ziel gesetzt diese offenen Fragen in einem Projekt namens „Simons Collaboration on Brain Energetics“ (SCOBE) zu lösen.

Unter der Leitung von Thomas Clandinin/Stanford University will man die Verfügbarkeit von Energie, welche die Funktionen des Gehirns beeinflusst, verstehen lernen. Dabei soll das gesamte Repertoire von einzelnen Zellen bis hin zu komplexen neuronalen Netzwerken und Verhaltensweisen erforscht werden. Langfristig hofft das Projekt, einen Beitrag zur Beantwortung grundlegender Fragen über die Informationsverarbeitung im Gehirn, die Ursachen von Entwicklungsstörungen des Gehirns und sogar den Alterungsprozess zu leisten.

„Es ist eine große Ehre, Teil dieser ehrgeizigen Zusammenarbeit zu sein“, sagt Vogels. „Indem wir unser Fachwissen im Bereich der Computational Neuroscience einbringen, hoffen meine ISTA-Forschungsgruppe und ich, einige der großen offenen Fragen zum Gehirn anzugehen und ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie Energie die Funktionsweise, das Lernen und die Anpassungsfähigkeit des Gehirns beeinflusst.“

Brücke zwischen Energie und Gehirnaktivität

Der in München geborene Vogels ist dafür bekannt, eine der ersten Theorien darüber mitentwickelt zu haben, wie die inhibitorischen Verbindungen des Gehirns lernen. In jüngerer Zeit wandte er sich dem Energiehaushalt des Gehirns zu und stellte die These auf, dass Neuronen überschüssige Energie verbrennen, indem sie ihre eigene Aktivität steigern, um sich vor schädlichen Nebenprodukten eines langsamen Stoffwechsels zu schützen (Oxidation des Gehirns).

Diese Arbeit führte zur Einladung, sich SCOBE anzuschließen. Im Rahmen der Initiative wird die Vogels-Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zu drei der vier definierten Forschungsbereichen beitragen. Ziel ist es, ein gemeinsames Verständnis des Energiestoffwechsels verschiedener Gehirnzellen zu entwickeln und zu klären, wie Zellstoffwechsel und neuronale Aktivität zusammenhängen.

Konkret werden Vogels und sein Team computergestützte Modelle entwickeln, die den Energiestoffwechsel in den Mitochondrien – den Kraftwerken der Zelle – mit der neuronalen Aktivität verknüpfen. Diese Modelle werden als Testumgebungen für Experimente anderer Forschender im Rahmen der SCOBE-Kooperation dienen.

Aufbauend auf diesen ersten Arbeiten wird die Vogels-Gruppe gemeinsam mit Gruppen an der Stanford University, am Allen Institute und an der Universität Oslo Modelle größerer neuronaler Netzwerke und deren Zusammenspiel entwickeln. Auf der Grundlage experimenteller Erkenntnisse aus der gesamten Kooperation wollen die Forschenden verstehen, wie der Energiebedarf das Lernen beeinflusst.

Bislang nutzt das Gehirn nur einen Bruchteil dessen, zu was es in der Lage wäre. In der Zukunft ist zu erwarten, das es zu einem Umdenken in der Nutzung zum Gehirn kommen wird. Informationen werden mittels Technologien heute nicht mehr vergessen.
Die Frage wird vielmehr die sein, wie man Informationen, vor allem aus der Vergangenheit aktiv in das gegenwärtige Leben einbindet. Man denke nur an die Speicherung von Bild und Videomaterial, bei denen Menschen heute den Blick aktiv zurückwerfen können auf die eigene Kindheit. Schon in der Kindheit passieren viele Dinge die für das spätere Leben relevant sind. Der Blick zurück kann helfen, die Biografie des Menschen auch oder gerade im Erwachsenenalter nachhaltig zu verändern und anzupassen. Er Blick zurück bietet dem Menschen extremes Potenzial. Wird aber entsprechend auch Energie benötigen. Daher ist eine hohe Effizienz erforderlich.

„Wie viel Energie kostet es, eine Erinnerung zu bilden?“, fragt Chaitanya Chintaluri, Postdoc in der Vogels-Gruppe. „Wie viel kostet es, zu denken, aber auch sich auszuruhen und sogar zu träumen? Und wenn es so viel kostet, warum träumen wir dann?“

Wenn die Energie knapp wird – oder zu hoch ist

Ein weiterer Schwerpunkt von SCOBE ist die Frage, wie sich das Gehirn an Veränderungen der Energieverfügbarkeit anpasst, einschließlich Phasen metabolischen Stresses.

Die dem Gehirn zur Verfügung stehende Energiemenge kann aus verschiedenen Gründen schwanken, darunter chronische Erkrankungen wie Diabetes, verminderte Sauerstoffversorgung oder Schwangerschaft. Die Forschenden werden untersuchen, wie das Gehirn seine Funktionen aufrechterhält, wenn Energie knapp oder im Überfluss vorhanden ist, und was passiert, wenn Schutzmechanismen versagen.

Anhand von Daten von Kooperationspartner/Innen in diesem Forschungsbereich wird die Vogels-Gruppe computergestützte Modelle entwickeln, die Energieangebot und -bedarf miteinander verknüpfen. Insbesondere wird das Team untersuchen, wie Neuronen und Gliazellen auf kurzfristige Veränderungen der Energiemetaboliten reagieren.

„Bisher haben nur wenige Forschungsarbeiten zur Gehirnenergetik einen theoretischen oder computergestützten Ansatz verfolgt, daher bin ich optimistisch, was wir durch die Anwendung fortschrittlicher Modellierungstechniken zur Integration verschiedener Datentypen lernen werden“, sagt Hannah Bayer, leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin für neurowissenschaftliche Kooperationen bei der Simons Foundation.

Weitere Informationen:

https://ista.ac.at/de/forschung/vogels-gruppe/ Forschungsgruppe „Computational Neuroscience und Neurotheorie“ am ISTA
https://simonsfoundation.org Simons Foundation

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