NEW YORK / LONDON (IT BOLTWISE) – Eine neue Studie zeigt, dass die neuronale Flexibilität im Gehirn von Alzheimer-Patienten erhöht ist. Diese Instabilität in den Kommunikationsmustern könnte ein Frühindikator für den Übergang zur Demenz sein. Forscher der Universität von Michigan und der Columbia University haben diese Erkenntnisse kürzlich veröffentlicht.
Eine aktuelle Studie hat herausgefunden, dass die Kommunikationsmuster im Gehirn von Alzheimer-Patienten weniger stabil sind als bei gesunden Personen. Diese erhöhte neuronale Flexibilität, insbesondere im visuellen System des Gehirns, könnte auch helfen, vorherzusagen, welche Personen wahrscheinlich zu einer Demenz übergehen werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Journal of Alzheimer’s Disease veröffentlicht.
Das menschliche Gehirn kann als ein komplexes und dynamisches Netzwerk betrachtet werden, in dem verschiedene Regionen ständig kommunizieren, um unsere Gedanken und Handlungen zu unterstützen. Wissenschaftler kartieren diese Kommunikationswege mit einer Technik namens funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), die den Blutfluss als indirektes Maß für die Gehirnaktivität verfolgt. Dies ermöglicht es ihnen, funktionelle Netzwerke zu identifizieren, die Gruppen von Gehirnregionen umfassen, die konsistent zusammen aktiv sind, ähnlich wie ein Team von Kollegen, das an einem Projekt arbeitet.
Traditionell hat die Forschung diese Netzwerke auf statische Weise untersucht und ein einzelnes Bild des gesamten Konnektivitätsmusters des Gehirns erstellt. Da die Gehirnaktivität jedoch nicht statisch ist, sondern sich von Moment zu Moment ändert, untersuchte ein Forscherteam der Universität von Michigan und der Columbia University diese dynamischen Veränderungen im Kontext der Alzheimer-Krankheit. Sie interessierten sich für ein spezifisches Maß namens neuronale Flexibilität, das quantifiziert, wie häufig eine Gehirnregion ihre Zugehörigkeit von einem funktionellen Netzwerk zu einem anderen innerhalb kurzer Zeit wechselt.
Das Forschungsteam, geleitet von Seonjoo Lee, einem Experten für mentale Gesundheitsdatenwissenschaft an der Columbia University, untersuchte, ob dieses Maß der Netzwerkinstabilität neue Einblicke in die Alzheimer-Krankheit bieten könnte. Sie vermuteten, dass der Abbau der Gehirnstruktur, der mit der Krankheit verbunden ist, zu einer höheren neuronalen Flexibilität führen könnte. Zudem untersuchten sie, ob dieses Maß als Frühindikator für Personen dienen könnte, die ein Risiko haben, eine Demenz zu entwickeln.
Für ihre Analyse nutzten die Wissenschaftler Daten aus der Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, einem groß angelegten Projekt, das den Fortschritt der Krankheit über viele Jahre hinweg verfolgt. Ihre Studie umfasste 862 ältere Erwachsene, die in eine von drei Gruppen eingeteilt wurden: kognitiv normal, mit leichter kognitiver Beeinträchtigung (MCI) oder mit einer Diagnose der Alzheimer-Krankheit (AD). Jeder Teilnehmer unterzog sich einem fMRI-Scan im Ruhezustand, bei dem sie ruhig im Scanner lagen, ohne eine spezifische Aufgabe zu erfüllen.
Die Forscher analysierten die Gehirnscandaten mit einer „Sliding-Window“-Methode. Anstatt den gesamten Scan auf einmal zu betrachten, unterteilten sie ihn in viele kurze, sich überlappende Zeitsegmente. Für jedes Segment identifizierten sie die unterschiedlichen Gemeinschaften von Gehirnregionen, die aktiv kommunizierten. Durch den Vergleich dieser Gemeinschaften von einem Fenster zum nächsten konnten sie einen neuronalen Flexibilitätswert für jede Gehirnregion berechnen, der angibt, wie oft sie ihre Netzwerkzugehörigkeit änderte.
Die Ergebnisse zeigten, dass auf globaler Ebene die Gehirne von Personen mit Alzheimer-Krankheit eine signifikant höhere neuronale Flexibilität aufwiesen als die Gehirne kognitiv normaler Teilnehmer. Dies deutet auf eine größere Instabilität in ihrer Gehirnnetzwerkorganisation hin. Dieses Muster erhöhter Flexibilität wurde auch in sechs der zwölf spezifischen funktionellen Netzwerke beobachtet, die das Team untersuchte, darunter Netzwerke, die an Aufmerksamkeit, Gedächtnisabruf und sensorisch-motorischen Funktionen beteiligt sind.
Das Team richtete dann seine Aufmerksamkeit auf die Vorhersage des Fortschreitens zur Demenz. Sie konzentrierten sich auf die 617 Teilnehmer, die zu Beginn der Studie keine Demenz hatten, eine Gruppe, die sowohl kognitiv normale Personen als auch solche mit leichter kognitiver Beeinträchtigung umfasste. Über einen Nachbeobachtungszeitraum von mehr als 11 Jahren erhielten 53 dieser Teilnehmer eine Diagnose einer Alzheimer-bedingten Demenz.
Bei der Analyse der anfänglichen Gehirnscans auf Prädiktoren für diesen Übergang identifizierten die Forscher ein spezifisches Signal. Eine höhere neuronale Flexibilität im visuellen Netzwerk zu Beginn der Studie war mit einer höheren Wahrscheinlichkeit einer zukünftigen Demenzdiagnose verbunden. Dies deutet darauf hin, dass dynamische Veränderungen innerhalb eines Netzwerks, das typischerweise später im Krankheitsverlauf betroffen ist, als Frühwarnzeichen dienen könnten. Die Autoren schlagen vor, dass, wenn Kernkognitionsnetzwerke zu zerfallen beginnen, andere Systeme, wie das visuelle Netzwerk, sich häufiger reorganisieren müssen, um die Funktion aufrechtzuerhalten.
Die Forscher erkennen mehrere Einschränkungen ihrer Arbeit an. Die Anzahl der Teilnehmer, die zu einer Demenz konvertierten, war relativ klein, was bedeutet, dass das prädiktive Ergebnis, obwohl statistisch signifikant, einer strengeren Korrektur für Mehrfachvergleiche nicht standhielt und mit Vorsicht interpretiert werden sollte. Die Studienpopulation war auch überwiegend nicht-hispanisch weiß, sodass unklar ist, ob diese Muster auf vielfältigere Gruppen anwendbar wären.
Zukünftige Forschungen könnten auf diesen Erkenntnissen aufbauen, indem sie die neuronale Flexibilität in verschiedenen Populationen untersuchen und Gehirnbildgebung mit höherer zeitlicher Auflösung verwenden. Es wäre auch vorteilhaft, die biologischen Mechanismen zu untersuchen, die diesen Veränderungen zugrunde liegen, zum Beispiel durch die Korrelation der neuronalen Flexibilität mit dem Vorhandensein von Alzheimer-bezogenen Proteinen im Gehirn. Trotz dieser Einschränkungen stellt die Studie eine vielversprechende Methode vor, um die dynamischen Gehirnveränderungen zu verstehen, die bei der Alzheimer-Krankheit auftreten, und bietet einen potenziellen neuen Ansatz zur Identifizierung von Personen mit Risiko.
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