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Forschungsarbeit

Diagnose der Alzheimer-Erkrankung mittels bildgebender Verfahren

von Nick Myers (08.04.2010)

Die frühe Erkennung erster Anzeichen der Alzheimer-Erkrankung mittels Kernspintomographie und anderer bildgebender Verfahren hat in den letzten Jahren große Schritte getan. Dabei liegt für viele Forscher das Augenmerk nicht bloß auf der möglichst frühen Diagnose einer tödlichen und kaum behandelbaren Krankheit.  Ein weiterer Grund, Menschen mit nur leichten Symptomen, wie etwa einer etwas stärkeren Vergesslichkeit im Alltag, zu untersuchen ist der Anspruch, die enormen Wissenslücken über den Ursprung und die erste Entwicklung der Alzheimer-Erkrankung in kleinen Schritten zu füllen.

Beispielsweise ist immer noch nicht geklärt, welche der zwei deutlichen molekularen Veränderungen für die Ausbreitung verantwortlich sind – die Plaques oder die Fibrillen, die schon Alois Alzheimer in seiner ersten Beschreibung 1911 bemerkt hatte. Während sich schon im frühen Stadium Fibrillen im Hippocampus und dessen Umgebung im inneren Temporallappen ausbilden und dort langsam zum Zelltod führen, verteilen sich die Amyloid-Plaques großräumig im Kortex. Trotz ihrer größeren Ausdehnung ist die Wirkung der Plaques allerdings noch unklar, denn auch die Gehirne von völlig gesunden alten Menschen können sie in hoher Konzentration enthalten.

Um diesen Krankheitsvorgang nichtinvasiv darzustellen, kommt häufig die Kernspintomografie zum Einsatz.  Hiermit lässt sich zum Beispiel der Verlust grauer Substanz im inneren Temporallappen darstellen, welcher ganz grob der Akkumulierung von Fibrillen im selben Gebiet entspricht.  Die Ausbreitung von Amyloid-Plaques hingegen ist mit der Integrität von weit über das Gehirn verbreiteten Netzwerken korreliert.  Diesen Unterschied könnte man auch als Beeinträchtigung der Struktur (im inneren Temporallappen) und als Beeinträchtigung der Funktion (in kortikal verbreiteten Netzwerken) charakterisieren. Da es eines der Ziele der klinischen Alzheimer-Forschung ist, eine beginnende Alzheimer-Erkrankung so früh wie möglich zuverlässig zu erkennen, ist nun interessant zu wissen, was sich zuerst entwickelt, eine regional eingeschränkte Strukturveränderung, oder die diffusen Netzwerkveränderungen. 

Randy Buckner und Kollegen vermuten, dass für die Alzheimer-Krankheit charakteristische Amyloid-Ablagerungen durch lebenslange erhöhte Hirnaktivität entstehen.[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Randy Buckner und Kollegen vermuten, dass für die Alzheimer-Krankheit charakteristische Amyloid-Ablagerungen durch lebenslange erhöhte Hirnaktivität entstehen.

Als Funktionseinheit fungierende Netzwerke werden seit etwa 10 Jahren mit zunehmendem Interesse studiert.  Der Schwerpunkt liegt bei dieser Betrachtungsweise des Gehirns nicht so sehr in der funktionellen Segregierung (also dem Zuordnen von präzise umschriebenen kognitiven Leistungen zu kleinen Regionen des Gehirns) als viel mehr in der funktionellen Integration.  Es werden also Regionen im Gehirn gesucht, die auch über weite Entfernung (also mehrere Zentimeter) bevorzugt miteinander kommunizieren, die synchron aktiv und ruhig sind, und die durch Faserstränge in der weißen Substanz fest miteinander verknüpft sind. Mittels Kernspintomografie können solche Hirnnetze ermittelt werden, ohne sie erst durch eine kognitive Aufgabe aktivieren zu müssen – sie stehen also ständig miteinander in Verbindung, auch wenn wir gerade an nichts Besonderes denken.

Während meiner Masterarbeit untersuchten meine Betreuer (Christian Sorg und Afra Wohlschläger Klinikum rechts der Isar der TU München) mit mir einen Teil des Zusammenhangs zwischen dem Abbau grauer Substanz im mittleren Temporallappen und Netzwerkveränderungen im "Default-Netzwerk". Das Default-Netzwerk ist seit etwa 2001 zu großer Prominenz gelangt.  Es fiel zunächst dadurch auf, dass es bei fast jeder Denkleistung ausgeschaltet wird.  Dadurch entstand die Theorie, es könne mit den Gedanken zu tun haben, die uns beschäftigen wenn wir uns gerade nicht auf eine konkrete Aufgabe konzentrieren.  Dazu gehören wohl das Erinnern und die Zukunftsplanung, oder das Tagträumen im allgemeinen.  Das Default-Netzwerk scheint aber noch grundlegender als dieses Tagträumen zu sein, denn es ist ständig aktiv, auch im Schlaf, bei Neugeborenen, Affen, und Menschen im Koma.  Interessant für Alzheimerforscher war die auffällige räumliche Überlappung zwischen dem Default-Netzwerk und der Ausbreitung der Amyloid-Plaques, was zur Vermutung geführt hat, das Default-Netzwerk als Gedächtnisnetzwerk könne selektiv von der Alzheimer-Krankheit betroffen sein.

Die Gruppe um Michael Greicius hat gezeigt, dass direkte Faser-Verbindungen im Default-Netzwerk bestehen[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Die Gruppe um Michael Greicius hat gezeigt, dass direkte Faser-Verbindungen im Default-Netzwerk bestehen.

Was bedeutet das? Eine gängige Theorie besagt, dass Zellsterben im Hippocampus (wo also auch Fibrillen vermehrt auftreten) zu verminderter Aktivierung anderer gedächtnisverbundener Hirnnetze führt. Diese Theorie wird mit unseren Ergebnissen untermauert, da ein Rückgang der grauen Substanz im Hippocampus mit einem Rückgang der Vernetztheit des Default-Netzwerks einherging. Letztgültig ist dieses Ergebnis aber noch nicht: möglicherweise lässt sich in einem noch früheren Stadium schon zeigen, dass das Default-Netzwerk auch ohne Störung des Hippocampus beeinträchtigt werden kann.  Um dies zu zeigen wird die Bildgebung wohl noch an Sensitivität gewinnen müssen.

Desweiteren ist im Umfeld dieser Frage noch vieles offen: sind chaotische Signale im Gehirn für die Ausbreitung der Krankheit zuständig?  Die These, dass neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit vornehmlich Hirnnetzwerke betreffen, und nicht wahllos Neuronen angreift, geht davon aus.  In Umkehrung der Hebbschen Lernregel könnte man demnach sagen: ‚Neurons that fire together, expire together.’  Wie bei einer Epidemie könnte sich eine neurodegenerative Erkrankung also vornehmlich zu Neuronen ausbreiten, die mit einem erkrakten Areal in Verbindung stehen. Solch umfassende Fragen kann die Bildgebung sicherlich nicht allein beantworten, sondern nur im engen Verbund mit anderen Disziplinen.

Literaturnachweis

1. Buckner, R. L., Snyder, A. Z., Shannon, B. J., LaRossa, G. et al. (2005). Molecular, Structural, and Functional Characterization of Alzheimer’s Disease: Evidence for a Relationship between Default Activity, Amyloid, and Memory. Journal of Neuroscience, 25(34): 7709-7717.

2. Greicius, M. D., Supekar, K., Menon, V., and Dougherty, R. F. (2009) Resting-State Functional Connectivity Reflects Structural Connectivity in the Default Mode Network. Cerebral Cortex, 19(1): 72-78.


Nick Myers
Nick Myers
* 1984, Swindon/England

Stationen
  • 2004-2007
  • Bachelor-Studium Neuroscience, Columbia University, New York
  • 2007-2009
  • Master-Studium Neuro-Cognitive Psychology, Ludwig-Maximilians-Universität, München
  • seit 2009
  • PhD-Student der Graduate School of Systemic Neurosciences, Ludwig-Maximilians-Universität, München