Energie- und Stoffwechsel


Energiestoffwechsel des Nervengewebes (Hirnstoffwechsel)


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Bayliss-Effekt: William Bayliss
Ketonkörper: Abgeleitet von ahd. Aketon (für Azeton)
Infarkt: infercire = (in etwas) hineinstopfen
Ischämie: ἴσχειν/ἔχειν = zurückhalten, αἷμα = Blut
Parese:
πάρεσις = Erschlaffen



Das Gehirn ist ein energieintensives Organ: Aus ≈120 g Glukose täglich (fast 30% des Zuckerumsatzes des Körpers) bezieht es etwa 20% des Ruhe-Energieumsatzes des gesamten Organismus. Dazu empfängt es mit rund 750 ml/min etwa 15% des Ruhe-Herzminutenvolumens und schöpft das arterielle Sauerstoffangebot (≈20 Volums%) zu einem Drittel aus (arterio-venöse O2-Differenz 6-7 ml/100 ml Blut).

Der Glukosetransporter GLUT3 ermöglicht den Übertritt des Blutzuckers durch die Blut-Hirn-Schranke zum Gewebe. In Hungerphasen kann das Gehirn auf Ketonkörper zurückgreifen, welche die Leber aus Fettsäuren synthetisiert.

Im Durchschnitt beträgt der spezifische Sauerstoffverbrauch des Gehirns rund 4 ml/100 g/min, die spezifische Durchblutung rund 50 ml/100g/min. Die Perfusionswerte für graue Substanz (≈100 ml/100g/min) liegen viermal höher als die der weißen Substanz (≈25 ml/100g/min): in ersterer (substantia grisea) erfolgen Synthese- und Umbauprozesse der Nervenzellen; die Aufrechterhaltung des Ionenmilieus für die Leitung von Aktionspotentialen (substantia alba) ist weniger energieaufwändig.

Insgesamt ist die zerebrale Perfusion ziemlich konstant, regional unterliegt sie funktionsabhängiger Umverteilung - je nach Belastungsmustern. Schwankungen der lokalen Glukoseverwertung können mittels PET nachgewiesen und mit spezifischen Mustern der Denkaktivität korreliert werden.

Dass die Gehirndurchblutung trotz unterschiedlicher Blutdruckwerte (in einem Bereich zwischen etwa 50 und 150 mmHg) stabil bleibt, liegt an der zerebralen Autoregulation (Bayliss-Effekt): Je stärker der Blutdruck Arteriolen dehnt, desto stärker verengen sie sich - der Widerstand steigt, die Strömung bleibt nahezu unverändert. Erst bei höheren Blutdruckwerten ist die Regulationsbreite ausgeschöpft, und die Durchblutung nimmt mit weiterer arterieller Drucksteigerung entsprechend zu.

Sehr stark reagieren Hirngefäße auf Kohlendioxid: Steigender pCO2 dilatiert die zerebralen Arteriolen, was die Durchblutung in der entsprechenden Region erhöht; umgekehrt reduziert sich der Blutfluss bei sinkendem pCO2. Dieser Mechanismus erklärt einen Teil der metabolischen Regulation der Hirndurchblutung (die Produktion von Energie und CO2 geht Hand in Hand). Er erklärt auch, warum Hyperventilation schwindlig macht (Hypokapnie → Vasokonstriktion → Perfusionsdrosselung).

Nimmt die Hirndurchblutung um mehr als 50% unter den Normalwert ab, ergeben sich Symptome der Unterversorgung (Schwindelgefühl). Unterdurchblutung kann in eine Synkope münden: Plötzliche Bewusstlosigkeit - meist passiert das in Stehen, wegen der ungünstigen Druckverhältnisse im Kopf bei aufrechter Körperlage (hydrostatischer Druck nach oben abnehmend); der Kollaps behebt das Problem (hydrostatische Druckunterschiede im Liegen gering, die Gehirndurchblutung normalisiert sich innerhalb von Sekunden).


Gehirndurchblutung und Sauerstoffversorgung Energieverbrauch Selfish-Brain-Theorie Synkope, Belastung Einflüsse auf zerebrale Perfusion und Substratutilisation Gehirn und Hungerzustand

>Abbildung: Versorgungsgebiete der großen Hirnarterien
Nach einer Vorlage in www.cnsforum.com


Die meisten Zellen des Körpers greifen für ihre Energieversorgung auf den Abbau von Kohlenhydraten (hauptsächlich Glukose) und Fettsäuren zurück. Für das Gehirn besteht das Problem der Blut-Hirn-Schranke; diese lässt nur wenige Stoffe an das Nervengewebe heran, z.B. Glukose, die über GLUT3 in den Geweberaum übertreten kann. Fettsäuren ist der Übertritt in das Hirngewebe versperrt; daher muss sich das ZNS weitgehend auf Glukose als Energiebringer verlassen. Ketonkörper spielen vor allem im Hungerstoffwechsel eine Rolle.

Man sagt, das Gehirn ist glukoseabhängig; ein Absinken des Blutzuckerspiegels (und der Sauerstoffversorgung, d.h. der Durchblutung) ist für das Gehirn, das ja sehr stoffwechselintensiv ist und keine Glykogenreserven anlegt, eine akute Bedrohung.
  Sauerstoffbedarf und Durchblutung des Gehirns sind hoch - auf relativer Basis (ml/100g) vergleichbar dem (daueraktiven) Herzmuskel.

Geringe Hypoxietoleranz. Wie lange kann das Gehirn eine Unterbrechung der arteriellen Sauerstoff- und Glukosezufuhr tolerieren? Bereits Sekunden nach einem totalen Zufuhrblock (z.B. bei einem Hirninfarkt:
Ischämie ) beginnt sich das Bewusstsein einzutrüben (Mangeldurchblutung in der Netzhaut führt zu "Röhrensehen" und Black-out - z.B. bei orthostatischer Synkope), und nach einer Minute ist der Sauerstoff in der grauen Substanz vollständig verbraucht. Bei Bestehen der Blutleere für ≈5 Minuten ist (bei normaler Körpertemperatur) mit dem Auftreten erster Nekrosen zu rechnen, obwohl Glukose zu diesem Zeitpunkt im Gehirngewebe noch verfügbar ist.

Kühlt man das Gehirn ab (Hypothermie), erhöht sich die Toleranzzeit beträchtlich. Es sind Fälle beobachtet worden, wo eine Reduktion der Hirntemperatur um mehr als 20°C (z.B. durch massive Unterkühlung bei Unfällen in winterlicher Umgebung) trotz längeren Kreislaufstillstands eine zerebrale Überlebenszeit von mehr als einer Stunde ermöglicht hat. Chirurgisch und intensivmedizinisch ergibt sich die Möglichkeit, durch Abkühlung längere Ischämiephasen (Durchblutungsstop) zu erzielen, ohne dass das Gehirn Schaden nimmt.


Insbesondere bei physiologischer Körpertemperatur ist die Versorgung mit ausreichend Sauerstoff (z.B. 2-4 Liter O2/min über Nasensonde, gegebenenfalls Beatmung und möglichst rasche Wiederherstellung der arteriellen Durchblutung) von akut kritischer Bedeutung.




 

<Abbildung: Autoregulation der Gehirndurchblutung (rote Kurve)
Nach einer Vorlage in meddium.com

Unterhalb des Autoregulationsbereichs werden die Gefäße mit zunehmendem Blutdruck passiv geweitet, die Perfusion steigt mit dem Druck (links). Im Autoregulationsbereich nimmt der Gefäßdurchmesser mit steigendem Blutdruck aktiv ab (Bayliss-Effekt; dadurch steigt der Strömungswiderstand, die Durchblutung nimmt nicht weiter zu - Mitte). Ist der Autoregulationsbereich überschritten, nimmt der Gefäßdurchmesser mit weiter steigendem Blutdruck - bei kontrahierter Gefäßwand - druckpassiv wieder zu (rechts)

Unten: Die Gefäße verhalten sich im Bereich unter etwa 50 mmHg druckpassiv; im Autoregulationsbereich (≈50-150 mmHg) kontrahieren sie mit steigendem Innendruck immer mehr; über ≈150 mmHg werden sie - bei maximaler Kontraktion - vom weiter steigenden Druck aufgedehnt


  Die Durchblutung des Gehirns beträgt im Schnitt ≈50 ml/100g/min (insgesamt ≈750 ml/min oder ≈15% des Ruhe-Herzzeitvolumens) und ist insgesamt ziemlich konstant (zerebrale Autoregulation, <Abbildung).
 

>Abbildung: Durchblutungsregulation in der Hirnrinde
Nach: Iadecola C, Neurovascular regulation in the normal brain and in Alzheimer's disease. Nature Rev Neurosci 2004; 5: 347-60

Erhöhte Aktivität thalamischer Afferenzen bewirkt kortikale Vasodilatation. Diese wird von der angeregten Stelle an größere Widerstandsgefäße propagiert (strichlierter Pfeil). Interneurone beteiligen sich wahrscheinlich an der Fokussierung der Mehrdurchblutung auf aktive Rindengebiete

Graue Substanz wird stärker durchblutet (≈100 ml/100 g/min) als weiße (≈25 ml/100 g/min), da der Stoffwechselaufwand der Nervenzell-Somata (wie für Proteinsynthese, Vorgänge im Zellkern, Transportfunktionen) im Vergleich zu dem von Nervenfaserfortsätzen (wie Erhaltung des Membranpotentials) höher ist.



Die Regulation der Hirndurchblutung beruht vorwiegend auf metabolischen Faktoren. Veränderte neuronale Aktivität führt zu lokaler Änderung der Durchblutung. Der Mechanismus beruht auf mehreren Faktoren:

     Adenosin: Steigt die Aktivität einer Hirnregion, wird hier vermeht Adenosin gebildet, das über Adenosintransporter aus den Zellen in das Interstitium gelangt. An glatten Muskelzellen der umliegenden Blutgefäße bindet es an G-Protein-gekoppelte Adenosinrezeptoren. Dadurch steigt in den Gefäßmuskelzellen cAMP, es erfolgt Vasodilatation.

     Kalium- und Wasserstoffionen: Auch diese werden von aktivem Hirnareal vermehrt in das zerebrale Interstitium freigesetzt; erhöhtes [K+] bewirkt direkt, pH-Abfall über verminderte Aktivität spannungsgesteuerter Kalziumkanäle indirekt Dilatation der Gefäße und damit Durchblutungssteigerung.

     Steigender pCO2 (Normwert in arteriellem Blut: 40 mmHg) führt - über Wasserstoffionen: CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3- - zu Gefäßerweiterung und damit Perfusionssteigerung im entsprechenden Gebiet. Hypokapnie bewirkt umgekehrt zerebrale Vasokonstriktion und Durchblutungsabfall (systemisch: forcierte Hyperventilation kann zu Bewusstlosigkeit führen).

     Stickstoffmonoxid (NO) wird in Abhängigkeit von der Aktivität von Neuronen ebenfalls freigesetzt und wirkt vasodilatatorisch.

     Myogene Komponenten stabilisieren die zerebrale Perfusion in einem Blutdruckbereich zwischen ≈50 und ≈150 mmHg (Autoregulation, <Abbildung oben) und beruhen auf dem Bayliss-Effekt.

Neurogene Komponenten sind nur schwach ausgeprägt und tragen kaum zur Regulation der Hirndurchblutung bei.




  Das Gehirn hat etwa den gleichen Sauerstoffbedarf wie die Leber (jeweils als ganzes Organ genommen). Es schöpft etwa 1/3 des ihm mit dem arteriellen Blut angebotenen Sauerstoffs aus, der Rest wird mit dem venösen Blut wieder abtransportiert, das also eine O2-Sättigung des Hämoglobins von etwa 65% aufweist, entsprechend einem pO2 von ≈35 mmHg (arterio-venöse Sauerstoffdifferenz 6-7 ml/100 ml Blut).

Der Sauerstoff dient der Produktion von ATP - in der (mitochondrialen) Atmungskette werden Elektronen aufgenommen, die im Zellstoffwechsel entstanden sind, und über mehrere Redox-Stufen schließlich auf Sauerstoff übertragen, der dadurch zu Wasser reduzíert wird. Bei Sauerstoffmangel ist diese Übertragung behindert, die Zellen erleiden Energiedefizit und funktionelle Einbußen.

Der spezifische Sauerstoffverbrauch des Gehirns beträgt im Schnitt ≈4 ml/100 g/min. Durchblutungswerte unter 1 ml/100 g/min können schon in kurzer Zeit (≈10 Minuten) irreversible Zellschäden verursachen. Allerdings kann auch eine länger dauernde durchblutungsleere Phase ohne bleibende Folgen für die zerebrale Intaktheit bleiben, soferne der Kreislauf ausreichend rasch wieder restituiert und die Gewebetemperatur niedrig gehalten wird.
 
G
raue Substanz / aktives Gewebe verbraucht mehr (≈10 ml/100g/min), weiße / weniger aktives Gewebe weniger (≈1 ml/100g/min) Sauerstoff. Insgesamt ergibt sich (≈1300 g Gehirngewicht) ein durchschnittlicher O2-Verbrauch von 50-60 ml/min (≈20% des Sauerstoffverbrauchs des ganzen Körpers in Ruhe - dieser beträgt beim Erwachsenen ≈250-300 ml O2/min).
Beispiel: Gehirndurchblutung 800 ml/min, arterio-venöse Sauerstoffdifferenz (AVDO2) 6 ml O2/100 ml Blut; der Sauerstoffverbrauch errechnet sich als 6 (AVDO2) mal 8 (8 mal 100 ml) = 48 ml/min.
 



<Abbildung: Das Gehirn steuert seine Versorgung mit Energie
Modifiziert nach A. Peters

Das Gehirn ruft aus dem Körper die für den zerebralen Energiestoffwechsel benötigten Ressourcen mittels Steuersignalen ab (brain pull), der Körper seinerseits versorgt sich aus seiner Umgebung mit entsprechenden Substraten (body pull)

Das "egoistische" Gehirn. Mit etwa 2% der Körpermasse verbraucht das Gehirn des Menschen ≈20% der Energie, die der Körper (bei körperlicher Ruhe) umsetzt. Dazu konsumiert es mehr als 60% der Glukose (≈130 g/d), die im Kreislauf zirkuliert.

Die "Selfish-Brain-Theorie" geht von einer zerebralen Sonderposition bei der Glukoseverwertung aus: In Konfliktsituationen (bei begrenzten Ressourcen) erzwingt das Gehirn seine - ungeschmälerte - Glukoseversorgung, auch wenn andere Gewebe dabei Energiemangel erleiden und es zu katabolen Vorgängen kommt (Abnahme der Organmasse, z.B. in Fett- und Muskelgewebe bei Nahrungsmangel oder chronischem Stress - das Gehirnvolumen bleibt praktisch unverändert). Der Vorteil ist kontinuierliche zerebrale Funktion, auch wenn diese auf Kosten der Reserven im restlichen Körper bewerkstelligt wird.


>Abbildung: Physiologische Mechanismen der zerebralen Substratversorgung
Modifiziert nach A. Peters

Die zentrale Verfügbarkeit von Energie (ATP) beeinflusst die limbisch-hypothalamisch-hypophysäre Achse: Sie kann über den Sympathikus und über ACTH den Energienachschub aus der Peripherie sicherstellen. GLUT1 garantiert die insulin-unabhängige Versorgung mit Glukose, gehemmte Insulinausschüttung minimiert die periphere Glukoseaufnahme über GLUT4



Dies ist u.a. durch Anregung der sympathischen Funktionsachse möglich: Katecholamine hemmen α-adrenerg die Insulinausschüttung (>Abbildung) und fördern gleichzeitig ß-adrenerg die Glykolyse u.a. in der Muskulatur. Dadurch wird der Blutzuckerspiegel stabilisiert (weniger Insulin bedeutet geringeren Glukoseeinbau in der Peripherie), und das Gehirn kann mittels des GLUT 1-Mechanismus weiter Glukose verbrauchen, während die insulinabhängigen (GLUT 4) peripheren Gewebe darben müssen.

Weiters kann das Gehirn über die CRH - ACTH - Kortisol - Achse Glukose mobilisieren. Auch Laktat (der Laktatspiegel steigt bei psychosozialem Stress deutlich an, das Gehirn kann Laktat über einen Monokarboxylattransporter aufnehmen) und Ketonkörper werden zur Stabilisierung seiner Energieversorgung herangezogen (der Sympathikus veranlasst im viszeralen Fettgewebe die Abgabe freier Fettsäuren, die Leber verwandelt diese in Ketonkörper). Der Sympathikus sorgt im Bedarfsfall (noradrenerg) für vermindertes Einschleusen des Laktats in die Mitochondrien der Muskelzellen sowie die Mobilisierung von Fettsäuren aus Adipozyten.

Man sagt in Anlehnung an den Jargon der Logistik, dass das Gehirn einen "brain pull" auf den Körper ausübt, während es vom Körper mit Energieträgern versorgt wird (<Abbildung). Der Körper bezieht wiederum Ressourcen aus seiner Umgebung und bewirkt einen "body pull".
 



Präsynkope: Bei einem Absinken der Hirndurchblutung auf unter die Hälfte des Normwertes beginnen Symptome des Unwohlseins, Schweißausbruch, Übelkeit, Hautblässe, schließlich Bewusstlosigkeit. Eine Präsynkope geht einer Synkope (plötzliche Bewusstlosigkeit) unmittelbar voraus und ist ein akutes Zeichen - Bewusstseisverlust und dadurch bedingter Kollaps können in Sekundenschnelle eintreten.

Eine Synkope kann durch eine primär eingeengte Hirndurchblutung bewirkt sein (zerebrovaskulär), durch plötzliches Überwiegen der parasympathischen Aktivität (vasovagal) - wobei oft eine orthostatische Überforderung Ursache ist, aber auch ein Schockerlebnis Auslöser dieser "Umschaltung" sein kann. Sie kann auch durch starken Blutverlust (hypovolämisch) oder Funktionsversagen des Herzens
(kardiogen, z.B. bei Infarkt ) bedingt sein.
Bei einem kalorischen Äquivalent von 20 kJ/l O2 ergibt ein O2-Verbrauch von 60 ml/min einen Energiebedarf von ≈1,2 kJ/min. Dem entspricht ein Glukosebedarf von ≈70 mg/min (physiologischer Brennwert 17 kJ/g Glukose) oder 100-120 g/d. Das Gehirn beansprucht damit 25-30% des Glukoseverbrauchs des gesamten Körpers (im körperlichen Ruhezustand; bei Neugeborenen beträgt der Anteil des zephalen Energieverbrauchs mehr als 60% des gesamten Ruheumsatzes).


<Abbildung: Veränderte Glukoseaufnahme als Effekt von Muskelaktivierung durch Langlaufen
Nach Nach Heinonen I, Kari K. Kalliokoski KK, Hannukainen JC, Duncker DJ, Nuutila P, Knuuti J. Organ-Specific Physiological Responses to Acute Physical Exercise and Long-Term Training in Humans. Physiology 2014; 29: 421-36

Die - mittels Positronen-Emissionstomografie (PET) ermittelte - Erhöhung der Glukoseaufnahme zeigt sich nicht nur in Skelett- und Herzmuskulatur, sondern auch im Gehirn

Ein wichtiger Einfluss auf die zerebrale Energieversorgung stammt aus dem Faktor körperliche Belastung: Zwar nimmt die Gehirndurchblutung insgesamt infolge akuter physischer Belastung kaum zu, es kommt allerdings zu Umverteilung in Gehirnregionen, die mit motorischer Steuerung und Koordination (z.B. vestibulär) sowie der Transportsysteme befasst sind (Atmung, Kreislauf).

Muskelaktivität - insbesondere leichte bis mittelschwere Belastung - steigert die zerebrale Utilisation vonGlukose (<Abbildung).


    
Über die Ausstattung von Nerven- und Gliazellen mit Glukosetransportern s. dort.

  
  Langzeiteffekte körperlichen Trainings auf das Gehirn schließen höheres Gehirngewicht und gesteigerte Funktion ein - ein gesunder, körperlich aktiver Lebensstil trägt wesentlich zur Beibehaltung guter zerebraler Leistungsfähigkeit bei. Vermutlich sind Faktoren wie der brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in die dahinterliegenden Mechanismen involviert.




Im Hungerzustand stellt das Gehirn von fast ausschließlicher Glukoseabhängigkeit auf Verwertung von Ketonkörpern (Azetazetat, ß-Hydroxybutyrat) um - die entsprechende Verwertungskapazität steigt innerhalb weniger Tage des Hungerns bis zu ≈20-fach an.

Ketonkörper entstehen in der Leber aus ß-oxidativem Fettsäureabbau. Es fällt
vor allem ß-Hydroxybuttersäure an, deren Konzentration im Blut viel höher ist als die der Azetessigsäure. Die Ketonkörper werden vom Nervengewebe über Azetyl-CoA wieder in den Zitratzyklus eingeschleust (oxidative Energiegewinnung). Der zerebrale Glukoseverbrauch nimmt dabei von ≈120 g/d um bis zu zwei Drittel (auf ≈40 g/d) ab, d.h. das Gehirn kommt mit einem Drittel des sonst üblichen Glukoseangebotes aus.

  Ähnlich ist der Säugling in der Lage, Ketonkörper zu verwerten und damit den hohen Fettanteil der Muttermilch optimal zu nutzen (Säuglinge können Blutglukose-Spiegel bis herunter auf ≈1,5 mM ohne neurologische Ausfälle tolerieren - Toleranzschwelle bei Erwachsenen <3,0 mM).




>Abbildung: Details neurovaskulärer Steuerung von Gefäßweite und Hirndurchblutung
Nach: Dunn KM & Nelson MT. Neurovascular signaling in the brain and the pathological consequences of hypertension. Am J Physiol 2014; 306: H1-14

Afferenzen (links):  Oben, cholinerg durch das basale Vorderhirn (ACh = Azeltycholin) in der Frontalhirnrinde (A);  unten, glutamaterg in der Parietalhirnrinde (Glu = Glutamat) über thalamamokortikale Afferenzen (B)

Eine Vielzahl zwischengeschalteter Zellen vermittelt Vasodilatation und Durchblutungssteigerung (NO, GABA, VIP, Epoxyeikosatetraensäure) oder lokale Vasokonstriktion (SOM)

Links
(Nervengewebe):

Von oben:   Blau, Somatostatin (SOM)-Interneuron  Grün, Astrozyt  Rot, GABA-Interneuron  Orange, NO-Synthase / NPY-Interneuron  Gelb, VIP / Cholinazyltransferase-Interneuron

ACh, Azetylcholin  AMPA, α-Amino-Hydroxy-5-Methyl-4-Isoxazolpropionsäure  BK, Ca++-aktivierter Kaliumkanal  COX, Zyklooxygenase  EET, Epoxyeikosatetraensäure  EP, PGE2 -Rezeptor  Kir, inward rectifier Kaliumkanal  mAChR, muskarinischer Ach-Receptor  mGluR, metabotroper Glutamat (Glu)-Rezeptor  nAChR, nikotinischer ACh receptor  NMDA, N-Methyl-d-Aspartat  NO, Stickstoffmonoxid  NPY, Neuropeptid Y  P2YR, P2Y-Rezeptor  R, Rezeptor  SOM, Somatostatin  VIP, vasoactive intestinal peptide

Rechts (Arteriole):   SMC, glatte Muskelzelle (rosa)  EC, Endothelzelle (blau) (s. auch dort)


  Regulation der Hirndurchblutung: Die zerebrale Perfusion wird hauptsächlich über metabolische Faktoren geregelt (Autoregulation, >Abbildung), der Sympathikus hat vergleichsweise geringeren Einfluss. Die zerebral-vaskuläre Autoregulation hält die Gehirndurchblutung in einem arteriellen Blutdruckbereich zwischen ungefähr 60 und 160 mm Hg weitgehend konstant.

  Starken Einfluss auf die zerebrale Gefäßweite hat der CO2-Partialdruck im durchströmenden Blut:
  Hyperventilation (→ Hypokapnie) senkt die Hirndurchblutung (Vasokonstriktion infolge übertriebener Atmung kann Ohnmacht verursachen)
  Hypoventilation (→ Hyperkapnie) steigert die Hirndurchblutung (Vasodilatation - z.B. bei Anwendung eines Totraumvergrößerers)
 
Dies erklärt sich über die Verknüpfung von Kohlendioxid (das die Blut-Hirn-Schranke passieren kann) und Wasserstoffionenkonzentration.
Ist der Bedarf an Sauerstoff größer ist als das Angebot, muss Energie anoxidativ gewonnen werden. Die dabei entstehenden Wasserstoffionen (pH sinkt) erweitern die Gefäße über Bremsung spannungsgesteuerter Ca++-Kanäle (pH-Senkung → geringere intrazelluläre Kalziumkonzentration → Vasodilatation → Perfusionssteigerung).
 
Hyperventilation senkt umgekehrt die H+-Ionenkonzentration (pH steigt) durch Abatmung von Kohlensäure und Hypokapnie, führt zu zerebraler Vasokonstriktion und kann daher zu Schwindelgefühl bis hin zu Bewusstlosigkeit führen (wenn die Gehirndurchblutung um >50% reduziert ist).

  Sauerstoffmangel (Hypoxie) hat (wie Hyperkapnie) einen vasodilatierenden (und damit durchblutungssteigernden) Effekt. Umgekehrt wirkt sich ein Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks (z.B. bei Atmung von reinem Sauerstoff) kaum auf die zerebrale Durchblutung aus.



Weitere Mechanismen der Steuerung zerebraler Perfusion:
 
    Vermehrte Aktionspotentialtätigkeit in aktiven Gehirnteilen bedingt Kaliumfreisetzung in den Extrazellulärraum, was lokal Dilatation der Hirngefäße auslöst.
 
    Auch Adenosin, das bei erhöhtem Energieverbrauch von Nervenzellen freigesetzt wird, bewirkt Vasodilatation und Durchblutungssteigerung.
  
    Ebenfalls produzieren aktivierte Nervenzellen NO, was die Gefäße weiter stellt (in der <Abbildung orange gezeigte Nervenzellen mit metabotropen Azetylcholin- sowie NMDA-Rezeptoren).
 
    Der Bayliss-Effekt stabilisiert die Gehirndurchblutung in einem Druckbereich zwischen ≈50 und ≈120 mmHg (zerebrale Autoregulation <Abbildung oben). Die Autoregulation ermöglicht die Stabilisierung des Blutflusses zum Gehirn bei wechselndem Blutdruck.




  Zur Messung der Hirndurchblutung werden verschiedene Methoden verwendet. Nichtinvasive Möglichkeiten bestehen in transkraniellem Doppler (Ausnützung des Doppler-Effekts), NIRS (Nah-Infrarotspektroskopie) und MRI (Magnetresonanz-Angiographie).

  Abnahme des pCO2 (Hypokapnie) - bedingt durch übertriebene Atmung (Hyperventilation), wie sie z.B. bei Panikanfällen auftreten kann - führt zu Konstriktion der zerebralen Gefäße und damit zu Minderdurchblutung des Gehirns bis hin zur Bewußtlosigkeit (bei Reduktion der zerebralen Perfusion auf unter ≈50% des Normalwerts). Zumischung von CO2 zur Atemluft (z.B. Rückatmung ausgeatmeter Luft) mindert die Symptomatik.
 
  Akute Gefäßverschlüsse im Versorgungsbereich des Gehirns führen zu einem ischämischen Schlaganfall (Hirninfarkt), was zu neurologischen Ausfällen (Sprachstörungen, Bewußtseinsausfälle, Sensibilitätsstörungen, Paresen ) und im schlimmsten Fall zum Tod führen kann.

  Hoher Druck in den Hirngefäßen führt zur Filtration von Flüssigkeit in das Gewebe (Hirnödem). Dadurch steigt der intrakranielle Druck (wegen des Schädelknochens sehr geringe Dehnbarkeit) und dies komprimiert die Hirngefäße, sodass es zu sinkender Durchblutung und damit Sauerstoffmangel kommt, was die Nervenzellen schädigt und über längere Zeit unbehandelt zum Tod führen kann.


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.