Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

Das menschliche Gehirn ist keine statische Maschine, sondern eine dynamische Landschaft, die ständig zwischen verschiedenen Betriebsmodi wechselt. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass das Gehirn hierarchisch organisiert ist – eine geschichtete Struktur, in der untere Regionen grundlegende sensorische Eingaben wie Sehen und Hören verarbeiten, während höhere Regionen komplexe Gedanken und Planungen steuern. Eine zentrale Frage in der Neurowissenschaft war bisher, wie diese Schichten miteinander kommunizieren. Senden die höheren Regionen Anweisungen an die unteren, oder senden die unteren Regionen Rohdaten zur Verarbeitung nach oben? Bei der als Schizophrenie bekannten Störung wird angenommen, dass diese Kommunikation zusammenbricht, was zu einer Welt führt, in der sich Sinneserfahrungen ungefiltert und losgelöst vom Kontext anfühlen. Bisher waren die Werkzeuge zur Untersuchung des Gehirns jedoch wie eine Kamera, die nur die Helligkeit einer Szene aufzeichnet, aber die Richtung des Lichts ignoriert. Sie konnten Forschern zwar sagen, wie stark zwei Hirnareale miteinander verbunden waren, aber sie konnten nicht sehen, welches Areal in einem gegebenen Moment die Führung im Gespräch übernahm.

Eine neue Studie von Forschern des Tri-Institutional Center for Translational Research in Neuroimaging and Data Science hat dies geändert, indem sie einen Weg entwickelt hat, die Richtung des Gehirnverkehrs sichtbar zu machen. Durch die Analyse von Gehirnscans von Hunderten von Menschen, darunter auch Menschen mit Schizophrenie, entdeckte das Team, dass das Gehirn von Natur aus durch drei verschiedene Kommunikationszustände zyklisch wechselt. In einem Zustand leiten die höheren Denkregionen die unteren sensorischen Regionen an und agieren wie ein Manager, der Anweisungen gibt. In einem anderen führen die sensorischen Regionen an und senden Rohdaten nach oben. In einem dritten, ausgewogenen Zustand tauschen beide Seiten Informationen gleichberechtigt aus. Die Forscher fanden heraus, dass dieser natürliche Rhythmus bei Menschen mit Schizophrenie gestört ist. Anstatt frei zwischen diesen Zuständen zu wechseln, bleibt das Gehirn im ausgewogenen, mittleren Zustand stecken und verliert die Fähigkeit, den „vom Manager geführten“ Zustand aufrechtzuerhalten. Dieser spezifische Zusammenbruch, der mit bisherigen Methoden unsichtbar war, korreliert mit der Schwere der Symptome und der kognitiven Leistungsfähigkeit einer Person.

Die Studie begann mit der Untersuchung von Ruhephasen-Gehirnscans von 151 Personen mit Schizophrenie und 160 gesunden Kontrollpersonen. Die Forscher verwendeten einen spezialisierten mathematischen Ansatz, der die Zeitunterschiede zwischen den Hirnsignalen bewahrte, was es ihnen ermöglichte zu sehen, welche Region führte und welche folgte. Sie fanden heraus, dass gesunde Gehirne drei wiederkehrende Muster durchlaufen. Ein Muster, das sie „Feedback“ nannten, tritt auf, wenn die Assoziationsareale des Gehirns – die für komplexes Denken verantwortlich sind – den sensorischen Arealen vorangehen. Ein weiteres Muster, genannt „Feedforward“, tritt auf, wenn die sensorischen Areale den Assoziationsarealen vorangehen. Das dritte Muster ist „integrativ“, wobei der Fluss ausgewogen ist. Diese drei Muster traten konsistent über verschiedene Personengruppen und verschiedene Scanning-Maschinen hinweg auf, was beweist, dass sie ein fundamentales Merkmal der Funktionsweise des Gehirns sind.

Als die Forscher die gesunde Gruppe mit der Gruppe mit Schizophrenie verglichen, fanden sie eine selektive Reorganisation dieser Muster. Die Gehirne von Menschen mit Schizophrenie verbrachten signifikant weniger Zeit im Feedback-Zustand, in dem höhere Regionen die unteren führen. Sie verbrachten auch mehr Zeit im integrativen Zustand, in dem der Fluss ausgewglichen ist. Entscheidend ist, dass der Feedforward-Zustand, in dem die sensorischen Regionen führen, weitgehend unverändert blieb. Dies bedeutet, dass die Störung nicht einfach alle Verbindungen schwächt, sondern spezifisch die Fähigkeit untergräbt, ein Top-Down-Steuerungssystem aufrechtzuerhalten. Das Gehirn bei Schizophrenie bewegte sich auch seltener zwischen diesen Zuständen und pendelte sich schneller in seinen Mustern ein, was auf einen Verlust an Flexibilität hindeutet. Die Forscher bestätigten diese Ergebnisse in einer zweiten, unabhängigen Gruppe von Patienten und Kontrollen, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse kein Zufallsprodukt eines einzelnen Datensatzes waren.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Gehirnmuster mit realweltlichem Verhalten und Symptomen zusammenhängen. Bei gesunden Menschen war die Geschwindigkeit, mit der das Gehirn in ein stabiles Muster einsickert, mit besseren Lernfähigkeiten verknüpft. Bei Menschen mit Schizophrenie kehrte sich dieser Zusammenhang jedoch um: Dieselbe schnelle Stabilisierung war mit schlechterer Aufmerksamkeit und geringerer kognitiver Leistung verbunden. Dies deutet darauf an, dass ein stabiler Gehirnzustand für einen gesunden Geist hilfreich ist, in einem gestörten Gehirn jedoch einen Kollaps in einen starren, unproduktiven Modus darstellt. Darüber hinaus war die Schwere der Positivsymptomatik, wie etwa Halluzinationen oder Wahnvorstellungen, damit verknüpft, wie oft das Gehirn vom ausgewogenen Zustand in den Feedforward-Zustand abgleitet. Je öfter das Gehirn dazu neigte, die sensorischen Daten ohne Kontext führen zu lassen, desto schwerwiegender wurden die Symptome.

Um zu beweisen, dass diese Muster nicht nur ein statistischer Trick, sondern eine reale, kontrollierbare Eigenschaft des Gehirns sind, testeten die Forscher das System an einer separaten Gruppe gesunder Freiwilliger unter verschiedenen Bedingungen. Sie verwendeten das Medikament Propofol, um die Probanden zu sedieren, und eine mentale Aufgabe, bei der Tennis vorgestellt werden musste, um deren Geist zu aktivieren. Die Sedierung verschob die Aktivität des Gehirns in Richtung des Feedback-Zustands, in dem höhere Regionen führen, während die mentale Vorstellung die Aktivität in Richtung des Feedforward-Zustands verschob. Diese doppelte Verschiebung demonstrierte, dass die gerichtete Achse des Gehirns experimentell bewegt werden kann, was bestätigt, dass die bei Schizophrenie beobachtete Störung ein echter dynamischer Ausfall und kein fester anatomischer Defekt ist.

Die Forscher gingen auch sicherzustellen, dass andere Erklärungen für ihre Ergebnisse ausgeschlossen werden konnten. Sie zeigten, dass die Richtung der Signale nicht durch eine feste Verzögerung im Blutfluss verursacht wurde – ein häufiges Problem bei der Bildgebung des Gehirns –, da sich die Richtung innerhalb eines einzigen Scans schnell änderte. Sie bewiesen zudem, dass diese gerichtete Organisation nicht durch andere bekannte Gehirnprinzipien erklärt werden konnte, wie etwa globale Erregungsniveaus oder das allgemeine Layout der Gehirnverbindungen. Die von ihnen gefundenen gerichteten Muster waren einzigartig und enthielten Informationen, die kein anderes Maß erfassen konnte.

Letztlich bietet diese Arbeit eine neue Art und Weise, die Hierarchie des Gehirns in Aktion zu verstehen. Sie zeigt, dass Schizophrenie nicht nur eine Störung schwacher Verbindungen ist, sondern eine Störung der Richtung. Das Gehirn verliert die Fähigkeit, die Top-Down-Steuerung aufrechtzuerhalten, die uns hilft, die Welt sinnvoll zu interpretieren, und bleibt in einem Mittelgrund stecken, in dem Informationen ohne klare Führung fließen. Durch die Identifizierung dieses spezifischen dynamischen Ausfalls bietet die Studie ein potenzielles neues Ziel für das Verständnis der Erkrankung und die Entwicklung von Behandlungen, die helfen könnten, den natürlichen Rhythmus des Gehirns wiederherzustellen. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Schlüssel zur Störung nicht in der Stärke der Verbindungen liegt, sondern in der Richtung des Flusses – einer Dimension der Gehirnaktivität, die zuvor verborgen geblieben war.