Hochauflösende Gehirnsimulationen enthüllen Ausbreitung infektiöser Keime bei neurodegenerativen Erkrankungen

• Neues Modell untersucht, wie infektiöse Keime durch die ungleichmäßige Gehirnstruktur diffundieren.
• Forscher nutzten MRT-Scans eines erwachsenen Gehirns für hochauflösende 2D- und 3D-Simulationen.
• Diese Simulationen reproduzieren Schadensmuster zahlreicher neurodegenerativer Erkrankungen.

Altersassoziierte neurodegenerative Erkrankungen sind vielschichtige, komplexe Pathologien. In den meisten Fällen ist ihr Fortschreiten eng mit dem Fortschreiten bestimmter Proteinaggregate – sogenannter Prionen – verknüpft.

Prionen sind infektiöse Keime, die eine Kettenreaktion von Proteinaggregation und Fehlfaltung auslösen und konformationelle Autokatalyse erzeugen. Allmählich dehnen sich diese Keime aus, fragmentieren und breiten sich auf andere Gehirnregionen aus. Dies beeinträchtigt die normale Funktion des Nervensystems und führt zu zerebraler Atrophie, Nekrose und letztlich zum Tod. Genau dies geschieht bei Parkinson, Alzheimer und ALS.

Forscher am Stevens Institute of Technology, der Stanford University und der University of Oxford haben nun ein neues Modell entwickelt, das untersucht, wie sich diese infektiösen Keime durch die ungleichmäßige Struktur des Gehirns ausbreiten. Es zeigt, dass die Verteilung toxischer Moleküle bei allen Erkrankungen vom Ort ihres erstmaligen Auftretens abhängt.

Die Simulationen deuten darauf hin, dass Hirnschäden hauptsächlich durch die körpereigene Entfernung von durch physische Einwirkung geschädigten Gehirnzellen entstehen. Die Autoren glauben, ihr Werkzeug wird Wissenschaftlern helfen, das Fortschreiten schwerer Hirnerkrankungen zu blockieren.

Das Modell ignoriert Biochemie

Bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen bleiben die initialen toxischen Moleküle unklar, aber sie replizieren sich, indem sie sich auf eine spezifische Weise fehlfalten. Die Erkrankung fortschreitet, während sich die fehlgefalteten Proteine durch das Gehirn ausbreiten und in Klumpen und Fasern aggregieren.

Dieses neue Modell ignoriert biochemische und zelluläre Mechanismen und stellt lediglich die fundamentalen Prozesse der Ausbreitung und wachsender Zahlen schädlicher Proteine dar.

Statt durch die Flüssigkeit außerhalb der Zellen bewegen sich toxische Moleküle im Gehirn durch Neuronen (Nervenzellnetzwerk). Jede Nervenzelle besteht aus einem Zellkern und einem Axon, das elektrische Signale an andere Nervenzellen überträgt. Axone machen den größten Teil der weißen Substanz aus, während Zellkörper den Großteil der grauen Substanz enthalten.

Referenz: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Oxford University

In diesem Modell diffundieren toxische Moleküle entlang der Axone mit einer bestimmten Rate und bewegen sich durch die weiße Substanz. Sie diffundieren auch in extrazelluläre Bereiche, aber mit viel geringerer Rate. In der grauen Substanz diffundieren diese Moleküle isotrop mit mittlerer Rate. Sobald sie in einen neuen Bereich diffundiert sind, erzeugen sie dort Kopien von sich selbst mit einer Rate, die von der Anzahl toxischer Proteine in diesen Bereichen abhängt.

Simulation toxischer Proteine im Gehirn

Klinische Daten (oben) vs. Simulation (unten) | Pfeile zeigen Ausbreitung toxischer Proteine bei Alzheimer | Credit: A. Goriely / Oxford University

Für hochauflösende 2D- und 3D-Simulationen nutzten die Autoren MRT-Scans eines erwachsenen Gehirns. Die 2D-Computersimulationen erfolgten in vertikalen Schichten (seitlich oder front-zu-rück), die 3D-Simulationen deckten das komplette Gehirn ab.

Anschließend kartierten sie klinische Daten zum Fortschreiten von Parkinson und Alzheimer. Laut diesen Daten starten toxische Proteine an einem bestimmten Ort und breiten sich in einem spezifischen Muster aus. Die Autoren fütterten ihre Simulationen mit diesen Initialbedingungen und stellten fest, dass die Simulationen die mit jeder Erkrankung assoziierten Muster präzise reproduzierten.

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Das Modell kann Wissenschaftlern helfen, mehr über die Biochemie zu erfahren, indem es deren physikalische Aspekte berücksichtigt. Die Simulationen zeigen deutlich, dass Diffusion eine Hauptrolle beim Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen spielt. Dies könnte neue Richtungen für zukünftige interdisziplinäre Forschung weisen.