Forscher entwickeln neue Methode zur Berechnung der Verzögerung von Signalausbreitungen im Gehirn von MS-Patienten

Forscher des Human Brain Project haben eine neue Methode entwickelt, um die Verzögerung der Signalausbreitung im Gehirn von Patienten zu berechnen, die an Multipler Sklerose leiden, einer chronisch entzündlichen Erkrankung, von der weltweit mehr als 2 Millionen Menschen betroffen sind. Die Ergebnisse wurden im Journal of Neuroscience von Forschern des Institut de Neurosciences des Systèmes, Marseille, Frankreich, und der University of Naples Parthenope und der University of Campania, Caserta in Italien, veröffentlicht.

Bei Multipler Sklerose greifen die Immunzellen des Körpers das Myelin an, eine isolierende Hülle, die alle Neuronen umhüllt. Myelin erfüllt einen ähnlichen Zweck wie der Kunststoff, der elektrische Kabel isoliert und den Stromfluss beschleunigt. Eine Schädigung der Myelinschicht im Gehirn führt zu einer Verlangsamung der elektrischen Signale, was zu einer verzögerten Kommunikation zwischen Gehirnbereichen und zu reduzierten oder beeinträchtigten Fähigkeiten führt. Die Messung der genauen Auswirkung der myelinischen Schädigung kann Ärzten dabei helfen, den Patienten individuell zu behandeln.

Das ist bei Multipler Sklerose schwieriger, als es aussieht: „Diese Krankheit ist ein diagnostisches Paradoxon“, erklärt Pierpaolo Sorrentino, Erstautor der Studie. „Es gibt Patienten, deren MRT-Scans einen starken Abbau von Myelin zeigen, aber keine entsprechende Beeinträchtigung erfahren, und andere, die wenig offensichtliche Schäden aufweisen, aber dennoch erhebliche Probleme haben. Oft können wir dies nicht erkennen, wenn wir uns die Scans einfach ansehen.“ Das Gehirn dazu zu stimulieren, die Echtzeitverzögerung zwischen Bereichen zu messen, ist auch nicht effektiv, wenn versucht wird, die Verzögerungen vieler Gehirnverbindungen und nicht nur einer abzuschätzen: Das Signal ist am Ende zu durcheinander, um ein zuverlässiger Indikator für die Ausbreitung zu sein.

Stattdessen haben die Forscher eine Methode zur Messung der Verzögerung entwickelt, die keine direkte Stimulation beinhaltet, sondern die neuronalen Lawinen (Aktivitätsausbrüche, die in Kaskaden auftreten), die sich spontan durch das Gehirn ausbreiten.

Diese spontanen Aktivitätsausbrüche können verwendet werden, um die Zeit zu messen, die ein Signal benötigt, um die Bündel der weißen Substanz zu durchqueren, die zwei beliebige Gehirnbereiche verbinden, und sie dann mit gesunden Kontrollen ohne myelinische Schädigung zu vergleichen. Indem wir nicht direkt in das Signal eingreifen, können wir in wenigen Minuten die Verzögerung zwischen den meisten Paaren von Gehirnregionen abschätzen und sie dann mit dem integrieren, was uns die MRT-Scans zeigen.“

Pierpaolo Sorrentino, Hauptautor der Studie

Neben der Information für die Behandlung kann die Methode auch zur Verfeinerung virtueller Gehirnmodelle von Patienten verwendet werden, um den Grad der Personalisierung weiter zu erhöhen. Gehirnmodellierung im großen Maßstab geht normalerweise von einer konstanten Signalgeschwindigkeit über die Ränder hinweg aus, aber das trifft nicht einmal auf ein gesundes Gehirn genau zu. „Wir sind jetzt in der Lage, diesen Simulationen den Zeitverzögerungsfaktor hinzuzufügen, wodurch die diagnostischen und prädiktiven Werkzeuge verbessert werden, die Ärzten und ihren Patienten zur Verfügung stehen“, schließt Sorrentino.

Quelle:

Menschliches Gehirn-Projekt

Referenz:

Pierpaolo Sorrentino et al., Whole-brain propagation delays in multiple sclerosis, a Combined tractography – magnetoencephalography study, Journal of Neuroscience, 14. Oktober 2022, JN-RM-0938-22; DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0938-22.2022

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