Artikel zur Langlebigkeit

Demenz breitet sich über vernetzte Gehirnnetzwerke aus

gehirn vernetzte neuronale Netze
  • Frontotemporale Demenz (FTD) ist die häufigste Form der Demenz bei Menschen unter 60 Jahren.

  • Karten von Gehirnverbindungen können nun vorhersagen, wie sich Hirnatrophie bei Menschen mit FTD ausbreitet.

  • Zu verstehen, wie Neurodegeneration abläuft, ist ein wichtiger Schritt zur Behandlung oder Verlangsamung des typischen Verlaufs der Demenz.

Dieser Artikel wurde auf UCSF News veröffentlicht.

In einer neuen Studie verwendeten Wissenschaftler der UC San Francisco Karten von Gehirnverbindungen, um vorherzusagen, wie sich die Hirnatrophie bei einzelnen Patienten mit frontotemporaler Demenz (FTD) ausbreiten würde, und ergänzten damit die wachsenden Beweise dafür, dass sich der mit Demenz verbundene Verlust von Gehirnzellen über die synaptischen Verbindungen zwischen ihnen ausbreitet etablierte Gehirnnetzwerke. Die Ergebnisse erweitern das Wissen der Wissenschaftler darüber, wie sich Neurodegeneration ausbreitet, und könnten zu neuen klinischen Instrumenten führen, um zu bewerten, wie gut neuartige Behandlungen den vorhergesagten Verlauf dieser Krankheiten verlangsamen oder blockieren.

„Zu wissen, wie sich Demenz ausbreitet, öffnet einen Blick auf die biologischen Mechanismen der Krankheit – welche Teile unserer Zellen oder neuronalen Schaltkreise am anfälligsten sind“, sagte der Hauptautor der Studie, Dr. Jesse Brown, Assistenzprofessor für Neurologie am UCSF Memory and Aging Center und UCSF Weill Institute for Neurosciences. „Man kann eine Behandlung erst dann wirklich entwerfen, wenn man weiß, was man behandelt.“

FTD, die häufigste Demenzform bei Menschen unter 60 Jahren, umfasst eine Gruppe neurodegenerativer Erkrankungen mit unterschiedlichen sprachlichen und verhaltensbezogenen Symptomen. Wie bei der Alzheimer-Krankheit spiegelt die Vielfalt der FTD-Symptome erhebliche Unterschiede in der Art und Weise wider, wie sich die neurodegenerative Erkrankung im Gehirn der Patienten ausbreitet. Diese Variabilität macht es für Wissenschaftler, die nach Heilmitteln suchen, schwierig, die biologischen Ursachen der Hirnatrophie zu bestimmen, und für klinische Studien, zu beurteilen, ob eine neuartige Behandlung einen Unterschied im Krankheitsverlauf eines Patienten macht.

Frühere Untersuchungen des leitenden Autors der Studie, Dr. William Seeley, Professor für Neurologie und Pathologie am Memory and Aging Center und am Weill Institute, lösten einen grundlegenden Wandel in der Demenzforschung aus, indem sie zeigten, dass sich Muster der Hirnatrophie bei vielen Formen der Demenz abzeichnen eng an bekannte Gehirnnetzwerke an – Gruppen funktionell verwandter Gehirnregionen, die über ihre synaptischen Verbindungen kooperativ zusammenarbeiten, manchmal über große Entfernungen. Mit anderen Worten: Seeleys Arbeit ging davon aus, dass sich neurodegenerative Erkrankungen nicht wie ein Tumor gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten, sondern entlang der anatomischen Schaltkreise, die diese Netzwerke miteinander verbinden, von einem Teil des Gehirns zum anderen springen können.

In ihrer neuen Studie – veröffentlicht am 14. Oktober in Neuron – lieferten Brown, Seeley und Kollegen weitere Beweise, die diese Idee stützen, indem sie untersuchten, wie gut neuronale Netzwerkkarten auf der Grundlage von Gehirnscans bei gesunden Personen die Ausbreitung der Hirnatrophie bei FTD-Patienten im Verlauf vorhersagen können ein Jahr.

Die Forscher rekrutierten 42 Patienten im UCSF Memory and Aging Center mit verhaltensbedingter frontotemporaler Demenz (bvFTD), einer Form von FTD, die dazu führt, dass Patienten unangemessenes Sozialverhalten zeigen, und 30 Patienten mit semantischer Variante der primär progressiven Aphasie (svPPA). Form der FTD, die sich hauptsächlich auf die Sprachfähigkeiten der Patienten auswirkt. Bei ihren ersten Besuchen an der UCSF unterzog sich jeder dieser Patienten einer „Ausgangs“-MRT-Untersuchung, um das Ausmaß der bestehenden Hirndegeneration zu beurteilen, und ließ dann etwa ein Jahr später eine Nachuntersuchung durchführen, um zu messen, wie weit ihre Krankheit fortgeschritten war.

Die Forscher schätzten zunächst, wo die in den Basisscans jedes Patienten beobachtete Hirnatrophie begonnen hatte, basierend auf der Hypothese, dass die Hirndegeneration an einer besonders gefährdeten Stelle beginnt und sich dann auf anatomisch verbundene Hirnregionen ausbreitet. Zu diesem Zweck erstellten die Forscher standardisierte Karten der wichtigsten Funktionspartner von 175 verschiedenen Gehirnregionen auf der Grundlage funktioneller MRT-Scans (fMRT) von 75 gesunden Erwachsenen. Anschließend identifizierten sie, welches dieser Netzwerke am besten mit dem Muster der Hirnatrophie übereinstimmte, das in den Basisscans des Gehirns eines bestimmten FTD-Patienten beobachtet wurde, und definierten den zentralen Knotenpunkt dieses Netzwerks als wahrscheinliches Epizentrum der Degeneration des Patienten.

Anschließend verwendeten sie dieselben standardisierten Konnektivitätskarten, um in den ein Jahr später durchgeführten Folgescans vorherzusagen, wo sich die Hirnatrophie des Patienten am wahrscheinlichsten ausgebreitet hatte, und verglichen die Genauigkeit dieser Vorhersagen mit anderen, bei denen die funktionelle Netzwerkkonnektivität nicht berücksichtigt wurde Konto.

Sie fanden heraus, dass zwei bestimmte Konnektivitätsmessungen ihre Vorhersagen über die Chancen einer bestimmten Gehirnregion, eine Hirnatrophie zu entwickeln, zwischen dem Ausgangs- und den Folge-Gehirnscans erheblich verbesserten. Einer, „kürzester Weg zum Epizentrum“ genannt, erfasste die Anzahl der synaptischen „Schritte“, die diese Region vom geschätzten Krankheitsepizentrum entfernt war – im Wesentlichen die Anzahl der Glieder in der Nervenkette, die die beiden Bereiche verbindet –, während der andere „Knotengefahr“ genannt wurde „stellte dar, wie viele mit einer bestimmten Region verbundene Regionen bereits eine erhebliche Atrophie erlebten.

„Es ist wie bei einer Infektionskrankheit, bei der die Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung anhand der Entfernungsgrade zum ‚Patient Null‘, aber auch anhand der Anzahl der Personen in Ihrem unmittelbaren sozialen Netzwerk, die bereits erkrankt sind, vorhergesagt werden kann“, sagte Brown.

Die Forscher zeigten, dass diese beiden Messungen der Netzwerkkonnektivität die Ausbreitung der Krankheit auf eine neue Gehirnregion im Durchschnitt besser vorhersagen konnten als die einfache geradlinige Entfernung von der bestehenden Atrophie eines Patienten. In vielen Fällen umging die Krankheit vollständig Gehirnbereiche, die an bereits verkümmerte Regionen angrenzten, aber nicht anatomisch mit ihnen verbunden waren, und sprang stattdessen auf funktionell stärker verbundene Regionen über.

Obwohl diese Methode vielversprechend ist, betonen die Forscher, dass sie noch nicht für den klinischen Einsatz geeignet ist. Sie hoffen, die Genauigkeit ihrer Vorhersagen zu verbessern, indem sie – neben anderen Ansätzen – individuelle Netzwerkkarten für jeden Patienten anstelle von durchschnittlichen Konnektivitätskarten verwenden und spezialisiertere Vorhersagemodelle für bestimmte Subtypen von FTD entwickeln.

Zusätzlich zu den biologischen Erkenntnissen, die die Entdeckung über die Mechanismen der Ausbreitung von Hirnatrophie bei FTD liefert und die in die laufenden Bemühungen zur Entwicklung von Behandlungen einfließen werden, hoffen die Forscher auch, dass die Ergebnisse zu verbesserten Maßstäben für die Bewertung von Therapien führen werden, die bereits in klinische Studien eintreten – beispielsweise durch Studienwissenschaftlern frühzeitig Einblicke zu geben, ob die Behandlung einen vorhergesagten Verlauf des Krankheitsverlaufs verändert. Forscher könnten auch bessere Vorhersagen über die Ausbreitung der Atrophie im Gehirn nutzen, um Patienten und ihre Familien auf die Symptome vorzubereiten, die bei fortschreitender Krankheit wahrscheinlich auftreten werden.

„Wir freuen uns über dieses Ergebnis, denn es stellt einen wichtigen ersten Schritt hin zu einem präziseren medizinischen Ansatz zur Vorhersage des Fortschreitens und zur Messung der Behandlungseffekte bei neurodegenerativen Erkrankungen dar“, sagte Seeley.

In Zukunft, so Brown, könnten Wissenschaftler möglicherweise Therapien entwickeln, die gezielt auf den wahrscheinlich nächsten Krankheitsherd abzielen und möglicherweise verhindern, dass sich die Atrophie von einer Region in eine andere ausbreitet.

„Genauso wie Epidemiologen sich auf Modelle zur Ausbreitung von Infektionskrankheiten verlassen, um Interventionen zu entwickeln, die auf wichtige Knotenpunkte oder Engpässe abzielen“, sagte Brown. „Neurologen müssen die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen der Neurodegeneration verstehen, um Möglichkeiten zu entwickeln, die Ausbreitung der Krankheit zu verlangsamen oder zu stoppen.“

Diese Studie wurde veröffentlicht in Neuron im Oktober 2019.

 



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