Longitudinal Reorganization of Cortical and Cerebellar Functional Networks in Spinocerebellar Ataxia Type 7
Diese Longitudinalstudie zeigt, dass die Spinozerebelläre Ataxie Typ 7 (SCA7) durch eine progressive Reorganisation kortikaler und zerebellärer Funktionsnetzwerke gekennzeichnet ist, die insbesondere das visuelle System betreffen, was mit dem klinischen Rückgang korreliert und als präziser Biomarker für die Klassifizierung der Erkrankung dienen kann.
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Das menschliche Gehirn ist kein einzelnes, statisches Organ, sondern eine riesige, dynamische Stadt aus Netzwerken. Verschiedene Stadtviertel sind auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert: Einige steuern Bewegungen, andere verarbeiten das Sehvermögen, und wieder andere verwalten das Gedächtnis oder die Planung. In einem gesunden Gehirn kommunizieren diese Stadtviertel effizient miteinander und halten den Verkehrsfluss zwischen ihnen reibungslos aufrecht. Wenn eine Krankheit zuschlägt, stört sie oft diese Verbindungen, was dazu führt, dass die Verkehrsmuster der Stadt chaotisch werden. Wissenschaftler nutzen eine spezielle Art von Hirnscan namens funktionelle Magnetresonanztomographie im Ruhezustand (resting-state fMRI), um diesen Verkehr zu beobachten. Im Gegensatz zu anderen Scans, bei denen eine Person eine Aufgabe ausführen muss, zeichert diese Methode einfach auf, welche Teile des Gehirns miteinander kommunizieren, während die Person ruhig mit geschlossenen Augen dasitzt. Dieser Ansatz hat sich zu einem leistungsstarken Werkzeug entwickelt, um zu verstehen, wie neurodegenerative Erkrankungen, die das Hirngewebe langsam abtragen, die internen Kommunikationssysteme des Gehirns im Laufe der Zeit verändern.
Eine solche Erkrankung ist die Spinozerebelläre Ataxie Typ 7, oder SCA7. Es handelt sich um eine seltene, erbliche Erkrankung, die primlich das Kleinhirn angreift, eine Struktur am Hinterhaupt des Gehirns, die für die Koordination von Bewegung und Gleichgewicht verantwortlich ist. Mit fortschreitender Krankheit verlieren Patienten die Fähigkeit, aufrecht zu gehen oder klar zu sprechen. Was SCA7 unter ähnlichen Störungen einzigartig macht, ist, dass sie auch einen schweren Sehverlust verursacht, der oft vor den Bewegungsproblemen offensichtlich wird. Obwohl Ärzte schon lange wissen, dass das Kleinhirn bei diesen Patienten schrumpft, blieb es unklar, wie die Krankheit die Kommunikation zwischen dem Kleinhirn und dem Rest des Gehirns umgestaltet und wie sich diese Veränderungen im Verlauf der Krankheit entwickeln. Ein Forscherteam setzte sich zum Ziel, diese Progression abzubilden, nicht nur durch den Blick auf einen einzelnen Zeitpunkt, sondern indem es die Patienten über zwei Jahre hinweg begleitete, um zu sehen, wie sich ihre Gehirnnetzwerke reorganisierten.
Die Forscher rekrutierten sechzehn Personen mit SCA7 und sechzehn gesunde Freiwillige, die in Alter und Hintergrund mit ihnen übereinstimmten. Sie scannten die Gehirne aller Beteiligten dreimal über einen Zeitraum von etwa zwei Jahren. Bei jedem Besuch lagen die Teilnehmer unbeweglich im Scanner, während ihre Gehirne kartiert wurden, und die Patienten unterzogen sich zudem klinischen Tests zur Messung ihres Gleichgewichts, ihrer Koordination und ihrer Denkfähigkeiten. Das Team konzentrierte sich darauf, wie verschiedene groß angelegte Netzwerke innerhalb des Gehirns miteinander verbunden sind. Sie untersuchten das visuelle Netzwerk, das das Sehen handhabt; das Default Mode Network (Ruhezustandsnetzwerk), das aktiv ist, wenn der Geist schweift; das somatomotorische Netzwerk, das Bewegungen kontrolliert; und die Aufmerksamkeitsnetzwerke, die uns helfen, uns zu konzentrieren. Durch den Vergleich der Gehirnscans vom ersten Besuch mit denen vom letzten Besuch konnten die Wissenschaftler sehen, wie sich die interne Verdrahtung des Gehirns im Verlauf der Krankheit veränderte.
Die Studie ergab, dass die Reaktion des Gehirns auf SCA7 weitaus komplexer ist als ein bloßer Verlust von Verbindungen im Kleinhirn. Bereits zu Beginn der Studie zeigten die Patienten Anzeichen einer gestörten Kommunikation. Ihre Gehirne kommunizierten zu viel zwischen bestimmten Netzwerken, die normalerweise getrennt bleiben, und zu wenig innerhalb von Netzwerken, die zusammenarbeiten sollten. Im Laufe der Zeit änderten sich diese Muster dramatisch. Die auffälligste Erkenntnis war, dass das visuelle Netzwerk, der Teil des Gehirns, der das Sehen verarbeitet, das am konsistentesten betroffene System wurde. Bei gesunden Menschen werden die Verbindungen zwischen dem visuellen Netzwerk und dem Default Mode Network im Laufe der Zeit tendenziell etwas schwächer, aber bei den Patienten mit SCA7 wurden diese Verbindungen immer stärker. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn versucht, sich selbst neu zu verdrahten, vielleicht um den Schaden zu kompensieren, aber dabei neue, abnormale Aktivitätsmuster erzeugt.
Die Veränderungen beschränkten sich nicht auf das visuelle System. Die Forscher fanden auch heraus, dass die Verbindungen zwischen dem Bewegungsnetzwerk und dem zerebellären Aufmerksamkeitsnetzwerk bei den Patienten einem ausgeprägten Pfad folgten, der in der Mitte der Studie steil anstieg, bevor er sich wieder einpendelte. Diese sich verschiebenden Muster waren nicht zufällig; sie standen in direktem Zusammenhang mit dem Gesundheitszustand der Patienten. Je stärker die abnormalen Verbindungen zwischen dem visuellen und dem Default Mode Network wurden, desto niedriger waren die Werte der Patienten in den Tests zur kognitiven Funktion. Ähnlich verhielt es sich mit der Stärke der Verbindungen zwischen dem Bewegungsnetzwerk und dem Default Mode Network zu Beginn der Studie, die das Ausmaß ihrer Gleichgewichtsstörungen vorhersagte. Dies deutet darauf hin, dass der Versuch des Gehirns, sich zu reorganisieren, eng mit dem physischen und geistigen Verfall der Patienten verknüpft ist.
Um zu prüfen, ob diese Gehirnveränderungen zur Identifizierung der Krankheit genutzt werden könnten, trainierten die Forscher ein Computerprogramm, um zwischen den Gehirnscans der Patienten und der gesunden Freiwilligen zu unterscheiden. Unter Verwendung ausschließlich der Daten darüber, wie verschiedene Gehirnnetzwerke miteinander verbunden waren, lernte der Computer, die beiden Gruppen mit bemerkenswerter Genauigkeit zu unterscheiden, wobei er fast alle Patienten und fast alle gesunden Kontrollpersonen korrekt identifizierte. Die Merkmale, die dem Computer halfen, diese Entscheidungen zu treffen, waren genau jene Verbindungen, die die Forscher im Zeitverlauf als verändert identifiziert hatten: die Verknüpfungen zwischen den visuellen, den Default Mode und den zerebellären Netzwerken. Dies legt nahe, dass die spezifische Art und Weise, wie sich die Netzwerke des Gehirns bei SCA7 reorganisieren, ein einzigartiger Fingerabdruck der Krankheit ist.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass SCA7 nicht nur eine Erkrankung des Kleinhirns ist, sondern eine Störung, die das gesamte Kommunikationssystem des Gehirns beeinträchtigt. Das visuelle Netzwerk scheint ein zentraler Knotenpunkt dieser Störung zu sein, der persistente Abnormalitäten zeigt, die sich im Verlauf der Krankheit verschlimmern. Während das Gehirn versucht, sich anzupassen, indem es neue Verbindungen bildet, scheinen diese Änderungen mit einem Preis verbunden zu sein, der mit dem Verlust der Bewegungskontrolle und der Denkfähigkeiten korreliert. Die Ergebnisse stützen die Idee, dass die Verfolgung dieser Netzwerkveränderungen über die Zeit eine wertvolle Möglichkeit bieten könnte, die Krankheit zu überwachen und zu verstehen, wie sie das Gehirn beeinflusst. Obwohl die Studie nur eine geringe Anzahl von Teilnehmern umfasste, gibt die Konsistenz der Ergebnisse über verschiedene Analysemethoden hinweg den Forschern die Zuversicht, dass sie einen grundlegenden Aspekt der Frage aufgedeckt haben, wie diese seltene Krankheit den menschlichen Geist umgestaltet.
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