Funktionelle Konnektivität

Forschungsprojekt

Funktionelle Konnektivität

Degenerative, traumatische oder vaskuläre neurologische Erkrankungen führen durch Läsionen zu Veränderungen der funktionellen Konnektivität innerhalb verschiedener Netzwerke im Gehirn. Mittels einem selbstentwickeltem neuen auf funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) basierten Analyseverfahren wurde es jetzt möglich solche Veränderungen zu charakterisieren und dadurch wichtige Erkenntnisse zu erlangen. Das Verfahren wurde zunächst bei Patienten mit einer neurodegenerativen Erkrankung, der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) angewandt. Das Kennzeichen der Erkrankung ist eine Degeneration der Motorneurone, neue Studien postulieren allerdings eine enge Verwandtschaft zu einer speziellen Demenzform, der frontotemporalen Demenz. Bei dieser Demenzform finden sich Zelluntergänge vor allem im Stirn- und Schläfenlappen, die mit Gedächtnisdefiziten und Veränderungen der Persönlichkeit einhergehen.

Mittels funktioneller Kernspintomographie wurden eine Gruppe von 64 ALS-Patienten ohne Gedächtnisstörungen und 38 gesunde Probanden untersucht. Es ging vor allem um die Frage, ob die funktionelle Verknüpfung einzelner Hirnbereiche bei diesen Patienten verändert ist. Mit Hilfe einer der neuen selbstentwickelten Analysemethoden fand sich zunächst erwartungsgemäß, dass bei ALS-Patienten tatsächlich vor allem jene Hirnregionen schlechter funktionell miteinander verknüpft sind, die für Bewegungen verantwortlich sind. Interessanterweise zeigte die Analyse solche gestörten funktionelle Verbindungen aber auch in ganz anderen Hirnregionen, nämlich im Hinterhaupt- und Scheitellappen, in denen bei der frontotemporalen Demenz typischerweise neurodegenerative Veränderungen auftreten. Diese Befunde belegen, dass frontotemporale Veränderungen ein Kernbestandteil der ALSErkrankung sind, obwohl die untersuchten Patienten gar keine kognitiven Einbußen hatten. Das Besondere an der Studie ist,
dass hier zum ersten Mal krankheitsspezifische Hirnfunktionsveränderungen nachgewiesen werden konnten, deutlich bevor die entsprechenden Demenz-Symptome wie z.B. Vergesslichkeit auftreten. Die Ergebnisse zeigen die enge Verwandtschaft zwischen ALS und frontotemporaler Demenz und werden zur Entwicklung von Biomarkern für diese und andere neurodegenerative Erkrankungen beitragen, für deren Analyse das neue Verfahren künftig auch eingesetzt werden kann. Die Studie ist bereits im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen (Loewe et al., 2017).

Anwendung des Analyseverfahrens beim Gleichgewichtstraining

Ein weiteres Einsatzgebiet für das neue Analyseverfahren betrifft plastische Veränderungen, die durch Training hervorgerufen werden. Hier haben wir uns zusammen mit Wissenschaftlern aus der Sportwissenschaft der Universität Konstanz zunächst auf das Gleichgewichtstraining fokussiert. Um die neuronalen Korrelate zu untersuchen, haben wir das neue Analyseverfahren in Verbindung mit Gleichgewichtstraining angewandt. Zusätzlich wurde auch die spinale Plastizität mittels des Hoffmann-Reflexes evaluiert. Gesunde Probanden nahmen an einem 6-wöchigen Gleichgewichtstraining auf einer Slackline teil. FMRT und neurophysiologische Messungen wurden vor und nach dem Training durchgeführt. Es fanden sich Veränderungen der funktionellen Konnektivität in einem weit verzweigten Netzwerk von kortikalen und subkortikalen Regionen, die für Gleichgewichtserhaltung und -kontrolle eine Rolle spielen. Zusätzlich fanden sich auch Veränderungen der spinalen Erregbarkeit durch das Gleichgewichtstraining. Trotz dieser trainingsinduzierten kortikalen und spinalen Veränderungen zeigten die Probanden eine Verbesserung der Gleichgewichtsleistung ausschließlich für die trainierte Aufgabe. In einer nicht-trainierten Gleichgewichtsaufgabe zeigten die Probanden ähnliche Leistungen wie untrainierte.

Diese Erkenntnisse liefern neue Ansatzpunkte für Rehabilitation: Zum einen konnten wir die neurale Repräsentation von gleichgewichtstrainingsinduzierten Veränderungen darstellen, was für die Anwendung von Stimulationsstrategien (z. B. repetitive Transkranielle Magnetstimulation oder Transkranielle Gleichstromstimulation) von großer Bedeutung ist. Zum anderen ist die Feststellung, dass es beim Gleichgewichtstraining ausschließlich zu einer Leistungsverbesserung für trainierte Aufgaben kam, wichtig für die Therapiegestaltung. Gleichgewichtstraining in der Rehabilitation muss demzufolge möglichst viele, vielfältige alltagsrelevante Aufgaben enthalten, die spezifisch trainiert werden müssen.

Literatur

Loewe K, Machts J, Kaufmann J, Petri S, Heinze HJ, Borgelt C, Harris JA, Vielhaber S, Schoenfeld MA. Widespread temporo-occipital lobe dysfunction in amyotrophic lateral sclerosis. Scientific Reports volume 7, Article number: 40252 (2017)

Autor

Prof. Dr. med. Mircea Ariel Schoenfeld
Ärztlicher Leiter der Kliniken Schmieder Heidelberg

20 Jahre Lurija Institut
Stiftung-Schmieder-Preis