Gestörte Netze

Grafik: MW
Autor: Nora Schultz

Neurologische Erkrankungen beeinflussen Netzwerke im Gehirn. Veränderter Datenfluss zwischen cortikalen Knotenpunkten erklärt wichtige Symptome etwa von Schizophrenie, Parkinson und Schlaganfall – seine Erforschung ermöglicht neue Therapien.

Wissenschaftliche Betreuung: Petra Wahle

Veröffentlicht: 04.01.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • Neurologische Erkrankungen wie Schizophrenie, Demenz, Parkinson oder Schlaganfall gehen mit Netzwerkstörungen einher. Diese können sowohl Ursache als auch Ergebnis der Krankheit sein.
  • Dicht vernetzte Gehirnareale mit vielen untereinander verknüpften Knotenpunkten sind besonders häufig betroffen. Meist handelt es sich dabei um Bereiche, in denen Informationen aus unterschiedlichen Quellen verarbeitet und in höheren kognitiven Prozessen integriert werden.
  • Sowohl zu viel als auch zu wenig Netzwerkaktivität kann zu neurologischen Problemen führen.
  • Mit Methoden wie der Tiefenhirnstimulation oder der nicht-invasiven transkraniellen Magnet- oder Elektrostimulation können gestörte Netzwerke beeinflusst und teilweise wieder ins Gleichgewicht gebracht werden.

Schlaganfall

Schlaganfall/Apoplexia cerebri/stroke

Bei einem Schlaganfall werden das Gehirn oder Teile davon zeitweilig nicht mehr richtig mit Blut versorgt. Dadurch kommt es zu einer Unterversorgung mit Sauerstoff und dem Energieträger Glukose. Häufigster Auslöser des Schlafanfalls ist eine Verengung der Arterien. Zu den häufigsten Symptomen zählen plötzliche Sehstörungen, Schwindel sowie Lähmungserscheinungen. Als Langzeitfolgen können verschiedene Arten von Gefühls– und Bewegungsstörungen auftreten. In Deutschland ging 2006 jeder dritte Todesfall auf einen Schlaganfall zurück.

„Es gibt zwar vielleicht keinen direkten Zusammenhang zwischen Mathematik und Verrücktheit, aber große Mathematiker leiden zweifellos an manischen Zügen, Delirium und schizophrenen Symptomen“, sagte einst der Nobelpreispräger John Nash, der selbst an Schizophrenie erkrankt war. Tatsächlich implizieren vereinzelte Studien einen Zusammenhang. Doch – Ironie des Schicksals – gerade moderne mathematische Errungenschaften könnten dabei helfen, den von Nash beschriebenen Symptomen künftig besser auf die Spur zu kommen. Ausgerechnet die Schizophrenie ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich neurologische Erkrankungen mit mathematisch fundierten Netzwerkstudien besser verstehen und eines Tages vielleicht auch besser behandeln lassen Alles vernetzt.

Viele neurologische Erkrankungen beruhen auf Veränderungen der Hirnaktivität. Sowohl einzelne Zellen als auch einzelne Hirnregionen funken im kranken Gehirn häufig anders. Doch um die oft komplexen neurologischen Symptome wirklich zu verstehen, lenken Forscher zunehmend den Blick auf die globale Ebene. Das Gehirn agiert vernetzt. „Man ist davon abgekommen, nur einzelne Hirnregionen zu betrachten, da es hilfreicher ist, in Systemen zu denken”, erklärt Christoph Mulert vom Universitätsklinikum Hamburg-​Eppendorf. Die Netzwerkforschung schlägt die Brücke von der zellulär-​molekularen Erklärungsebene zur Ebene des Verhaltens– und der kognitiven Prozesse und schließt damit eine Erklärungslücke.

Störungen im perfekt tarierten System

Für gewöhnlich ist das System der neuronalen Netze mit ihren Knotenpunkten, die mal intensiver und mal weniger intensiv miteinander kommunizieren, fein austariert. Doch bei vielen neurologischen Erkrankungen kommt es hier zu deutlichen Veränderungen.

Bei Schizophrenie ist die funktionelle Kopplung von Hirnarealen, die Christoph Mulert untersucht, bei kognitiven Herausforderungen im Vergleich zu Kontrollgruppen vermindert – im so genannten Ruhenetzwerk aber verstärkt In der Ruhe liegt die Kraft.

Zellschäden und das Absterben von Neuronen wiederum führen bei Demenzerkrankungen zu einer Schwächung von Netzwerken, insbesondere in den zentralen Knotenpunkten stark verknüpfter Gehirnregionen im temporalen, parietalen und frontalen Cortex. Dies, so zeigen Studien , erklärt viele der kognitiven Defizite und Verhaltensveränderungen der Patienten.

Auch die Netzwerke von Patienten mit Multipler Sklerose werden in Mitleidenschaft gezogen: Bei dieser Krankheit greift das Immunsystem die isolierende Myelinschicht entlang der Axone an und vermindert die Geschwindigkeit, mit der elektrische Impulse über die neuronalen Bahnen transportiert werden. Entsprechend leidet vor allem die Effizienz der Verbindungen zwischen den Knotenpunkten der Hirnnetzwerke Jagd auf die Amok-Zellen. Messungen ergeben unter anderem eine Störung der so genannten „Small World“-Topographie, die gesunde Netzwerke im Gehirn auszeichnet: eine Kombination aus starker Clusterbildung mit vielen lokalen Verknüpfungen in den Knotenpunkten des Netzes und kurzen Wegen zwischen den einzelnen Knoten. Insbesondere lokale Netze im primären Motorcortex und in sensorischen Arealen sind betroffen, zusätzlich auch das so genannte Default Mode Network, das Forscher in Atem hält, weil es beim Nichtstun aktiver ist als bei der Lösung von Aufgaben In der Ruhe liegt die Kraft.

  • Gehirnverletzungen und Schlaganfall gehen ebenfalls oft mit Netzwerkstörungen einher, weil schlagartig hunderttausende Neurone absterben und ihre axonalen Verbindungen und Synapsen aus dem Netzwerk verschwinden Das Lebens-Puzzle neu lernen.
  • Bei Epilepsie und dem so genannten Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) hingegen werden mitunter verstärkte Verbindungen insbesondere auf der Ebene lokaler Netze gemessen. Auch dies bringt die Balance der hierarchisch organisierten Netzwerke ins Wanken und zieht Schäden an Ballungszentren und Langstreckenverbindungen nach sich.

Ballungszentren sind besonders anfällig

Der Neurowissenschaftler Cornelis Stam von der Universität Amsterdam sieht in solchen Mechanismen gar einen gemeinsamen Nenner, der die globalen Symptome vieler neurologischer Erkrankungen erklärt. Demnach führen unterschiedliche Störungen der Informationsübertragung in den gewohnten Knotenpunkten und Bahnen eines Netzwerks zur Umleitung des Informationsflusses in andere Bereiche des Netzwerks. Die umgeleiteten Datenmassen können dann allerdings gerade in Ballungszentren mit vielen stark vernetzten Knotenpunkten zu Überlastungen und langfristigen Netzwerkschäden führen.

Dass gerade die massiv vernetzten Ballungszentren besonders anfällig für Störungen sind, legt auch der Blick auf strukturelle Veränderungen im Gehirn im Laufe des Lebens und bei Erkrankungen nahe. Eine Analyse der grauen Substanz von 484 gesunden Probanden im Alter von 8 bis 85 Jahren identifiziert ein Netzwerk besonders intensiv verknüpfter Regionen, das sich erst in der späten Jugend ausbildet, das früh im normalen Alterungsprozess wieder bröckelt und sowohl bei Alzheimerkranken als auch bei Schizophreniepatienten Veränderungen aufweist. Zu den beteiligten Ballungszentren gehören fast ausschließlich Areale, die an höheren kognitiven und integrativen Funktionen beteiligt sind.

Graue Substanz

Graue Substanz/-/gray matter

Als graue Substanz wird eine Ansammlung von Nervenzellkörpern bezeichnet, wie sie in Kerngebieten oder im Cortex (Großhirnrinde) vorkommt.

Die Details machen den Unterschied

Bei allen Gemeinsamkeiten enthüllt der genaue Blick auf die jeweils spezifischen Netzwerkveränderungen bei neurologischen Erkrankungen aber auch viele Unterschiede und Details, von denen Forscher sich Fortschritte bei Diagnose und Therapie versprechen.

Alexander Münchau von der Universität Lübeck beispielsweise untersucht die Netzwerkauffälligkeiten bei verschiedenen Varianten der Parkinson-​Erkrankung Mit dem Hirnschrittmacher gegen Parkinson. Hier führt das Absterben von Neuronen in der Substantia nigra in den Basalganglien zu einem Mangel des Botenstoffs Dopamin, der die typischen Bewegungsstörungen wie Zittern, Steifigkeit oder motorische Aussetzer auslöst. Unterschiedliche Genmutationen führen zu leicht variierten Krankheitsbildern, denen Münchaus Team nun verschiedene Netzwerkauffälligkeiten zuordnen konnte.

Während bei einer Reihe von Mutationen und genetisch unbestimmten Parkinson-​Erkrankungen Überaktivität in einem Netzwerk zwischen Motorcortex, Prämotorcortex und den supplementärmotorischen Regionen auftritt, kommt es beim X-​chromosomal vererbten Dystonie-​Parkinson-​Syndrom verstärkt zu hemmenden Verbindungen zwischen den cortikalen Regionen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher diese Netzwerkauffälligkeiten beeinflussen. Eine Methode könnte die Tiefenhirnstimulation sein. Dabei senden ins Gehirn implantierte Elektroden leichte regelmäßige Stromimpulse, welche die Reizweiterleitung in bestimmten Kerngebieten im Zwischenhirn wie ein Metronom wieder in den Takt bringen. Bei Parkinson wird diese Technik seit einigen Jahren angewandt. Ein anderer Ansatz ist die repetitive transkranielle Magnetstimulation. Sie wirkt unspezifischer, ist dafür aber nicht invasiv. Womöglich gelingt es den Forschern so, langfristig effektivere Therapieoptionen zu entwickeln.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Substantia nigra

Substantia nigra/Substantia nigra/substantia nigra

Ein Kernkomplex im Mesencephalon, der eine wichtige Rolle bei der Bewegungseinleitung spielt. Er ist dunkel gefärbt und liegt im Tegmentum, seine Neurone stehen mit dem Basalganglien, dem Putamen und dem Nucles caudatus in Verbindung. Ein Ausfall führt zu Symptomen des Morbus Parkinson (Parkinson-​Krankheit).

Basalganglien

Basalganglien/Nuclei basales/basal ganglia

Basalganglien sind eine Gruppe subcorticaler Kerne (unterhalb der Großhirnrinde gelegen) im Telencephalon. Zu den Basalganglien zählen der Globus pallidus und das Striatum, manche Autoren schließen weitere Strukturen mit ein, wie z. B. das Claustrum. Die Basalganglien werden primär mit der Willkürmotorik in Verbindung gebracht.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Diencephalon

Zwischenhirn/Diencephalon/diencephalon

Zum Diencephalon (Zwischenhirn) gehören unter anderem der Thalamus und der Hypothalamus. Gemeinsam mit dem Großhirn bildet es das Vorderhirn. Im Diencephalon finden sich Zentren für Sensorik, Emotion und zur Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Hunger und Durst.

Therapien zur Regeneration nach dem Schlaganfall?

Friedhelm Hummel vom Universitätsklinikum Hamburg-​Eppendorf hofft ebenfalls darauf, neue Erkenntnisse über Netzwerke zur Therapieverbesserung nutzen zu können, und zwar bei der Regeneration nach einem Schlaganfall. Ist bei Schlaganfallpatienten der cortikospinale Trakt beschädigt, der den Motorcortex mit dem Rückenmark verbindet, geht dies normalerweise mit einer schlechten Prognose einher: Der Informationsfluss zwischen dem Gehirn – genauer, der motorischen Rinde – und dem Rest des Körpers – hier vor allem das Rückenmark – funktioniert nicht mehr gut genug und verlorene motorische Funktionen können nur schwer wiedererlangt werden.

Nun konnte Hummels Team jedoch zeigen, dass eine gut ausgebildete oder aber gut erhaltene strukturelle Verknüpfung des ventralen prämotorischen Cortex mit dem Motorcortex in der Schlaganfallhirnhälfte dieses Defizit offenbar zumindest teilweise kompensieren kann. „Wir vermuten, dass der ventrale prämotorische Cortex nach einem Schlaganfall seinen Einfluss auf den prämotorischen Cortex verstärkt und eine normalerweise hemmende Verbindung dann zur erregenden Verbindung wird”, sagt Hummel. Der verstärkte Einfluss des ventralen prämotorischen Cortex könnte das Signal aus dem Motorcortex so verstärken, dass trotz beschädigtem cortikospinalen Trakt ein relevanter Informationsfluss im Rückenmark ankommt. Mithilfe der transkraniellen Magnetstimulation wollen die Forscher bei Schlaganfallpatienten die Vernetzung des ventralen prämotorischen Cortex mit dem Motorcortex zusätzlich anregen. So hoffen sie, diesen möglichen Kompensationseffekt zu unterstützen.

Schlaganfall

Schlaganfall/Apoplexia cerebri/stroke

Bei einem Schlaganfall werden das Gehirn oder Teile davon zeitweilig nicht mehr richtig mit Blut versorgt. Dadurch kommt es zu einer Unterversorgung mit Sauerstoff und dem Energieträger Glukose. Häufigster Auslöser des Schlafanfalls ist eine Verengung der Arterien. Zu den häufigsten Symptomen zählen plötzliche Sehstörungen, Schwindel sowie Lähmungserscheinungen. Als Langzeitfolgen können verschiedene Arten von Gefühls– und Bewegungsstörungen auftreten. In Deutschland ging 2006 jeder dritte Todesfall auf einen Schlaganfall zurück.

Primärer motorischer Cortex

Primärer motorischer Cortex/-/primary motor cortex

Ein Areal des Frontallappens in der Vorderwand der Zentralfurche. Er gilt als übergeordnete Steuereinheit, zuständig für willkürliche — und Feinmotorik. Hier sitzen die Zellkörper der zentralen Motoneurone, deren Axone zu den Basalganglien, zu zahlreichen Kerngebieten im Hirnstamm und zum Rückenmark ziehen. Nur im primären motorischen Cortex kommen die Betz-​Riesenzellen vor, besonders große Motoneurone, deren Axone ohne vorherige synaptische Umschaltung direkt zu den Motoneuronen im Vorderhorn des Rückenmarks ziehen.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Manipulation von auditorischen Halluzinationen

Auch bei Schizophrenie-​Erkrankungen könnte geschickte Netzwerkstimulation Symptome lindern. Man weiß inzwischen, dass akustische Halluzinationen unter anderem durch eine verstärkte Konnektivität zwischen den Gehirnhälften begünstigt werden kann. Bei gesunden Personen fließt akustische Information zum Beispiel fast ausschließlich über die gekreuzten Nervenbahnen vom rechten Ohr in die linke Gehirnhälfte. Bei Schizophrenie-​Patienten wandern hingegen Eindrücke vom linken Ohr über die rechte Gehirnhälfte und dann mittels einer funktionell aktiveren axonalen Verbindung über das Corpus Callosum zurück in die linke Hemisphäre, wo sie mit der dort bereits in Verarbeitung befindlichen Information regelrecht kollidieren und so Verwirrung in Form auditorischer Halluzinationen stiften.

Bei gesunden Probanden konnte Christoph Mulerts Team bereits erfolgreich transkranielle Wechselstromstimulation einsetzen, um den Datenstrom über das Corpus Callosum zu drosseln. Bei Patienten, so Mulerts Hoffnung, könnte man womöglich Halluzinationen mildern, wenn man aus überaktiven Netzwerken auf diese Weise selektiv bestimmte synaptische Übertragungswege eliminiert.

John Nash, der 2015 bei einem Autounfall ums Leben kam, konnte von solchen Interventionen nicht mehr profitieren. Ob er sie voll und ganz willkommen geheißen hätte, sei dahingestellt. „Ich kann sehen, dass es eine Verbindung zwischen abnormalen Gedankenmustern und kreativem Denken gibt“, sagte er einst in einem Interview. „Hätte ich normaler gedacht, wären mir weniger gute wissenschaftliche Ideen gekommen“.

Ohr

Ohr/Auris/ear

Das Ohr ist nicht nur das Organ des Hörens, sondern auch des Gleichgewichts. Unterschieden werden das äußere Ohr mit Ohrmuschel und äußerem Gehörgang, das Mittelohr mit Trommelfell und den Gehörknöchelchen sowie das eigentliche Hör– und Gleichgewichtsorgan, das Innenohr mit der Gehörschnecke (Cochlea) und den Bogengängen.

zum Weiterlesen:

  • Stam, C: Modern network science of neurological disorder., Nature Review Neuroscience. 2014; 15: 683 – 695 (zum Abstract).
  • Douaud G et al.: A common brain network links development, aging, and vulnerability to disease. PNAS. 2014 Dec; 111(49): 17648 – 17653 (zum Volltext).
  • Andreou, C et al: Increased Resting-​State Gamma-​Band Connectivity in First-​Episode Schizophrenia Schizophr Bull. 2015 Jul;41(4):930 – 9 (zum Abstract).
  • Schulz, R et al: Cortico-​Cerebellar Structural Connectivity Is Related to Residual Motor Output in Chronic Stroke. Cereb. Cortex (2015) (zum Abstract).

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

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