Aktivitätsmaße von Hirnnetzwerken für die frühzeitige Alzheimer-Diagnostik

Projektdetails:

Thematik: Diagnostik
Förderstatus: abgeschlossen
Art der Förderung: Pilot Projekt
Institution: Klinikum Rechts der Isar der Technischen Universität München, Klinik für Neurologie
Projektleiter: Dr. Valentin Riedl
Laufzeit: 01. November 2008 - 31. Oktober 2010
Fördersumme: 35.910,00 Euro
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Projektbeschreibung

Im Gehirn wird die meiste Energie für die Erzeugung organisierter Spontanaktivität verwendet. Die Organisation zeigt sich in synchroner Aktivität von auseinander liegenden Hirnbereichen und dient der Kommunikation. Bei der Alzheimer-Krankheit ist die spontane Kommunikation weit entfernter Hirnregionen zunehmend beeinträchtigt. Je stärker diese Interaktion gestört ist, umso häufiger treten klinische Symptome wie Gedächtnis- oder Konzentrationsstörung auf.

Mit den bildgebenden Verfahren der Alzheimer-Diagnostik wird bisher nur die anatomische Struktur des Gehirns, nicht jedoch seine funktionelle Netzwerkdynamik untersucht. Dr. Valentin Riedl vom Klinikum Rechts der Isar der Technischen Universität München geht davon aus, dass funktionelle Maße zur Darstellung von Hirnnetzwerken die Alzheimer-Diagnostik sinnvoll erweitern würden.

Kürzlich wurden mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) mehrere funktionelle Netzwerke im Menschen entdeckt, die sich während einer 10-minütigen Ruhemessung abbilden lassen. Diese Ruhenetzwerke zeichnen sich durch synchrone Aktivität verschiedener Hirnregionen aus – ähnlich dem koordinierten Zusammenspiel verteilter Instrumentengruppen in einem Symphonieorchester.

Ziel des geförderten Projekts ist es, Maße zur Verbindungsstärke in Ruhenetzwerken von Patienten mit einer Alzheimer-Krankheit oder einem erhöhten Risiko für eine solche zu entwickeln. Die einfach und schnell durchzuführende Ruhe-fMRT-Messung ist ein viel versprechendes Instrument zur in-vivo Untersuchung der durch die Alzheimerkrankheit bedingten Veränderungen in Hirnnetzwerken. Sie birgt das Potential zu einer verbesserten Diagnostik und Therapieüberwachung der Alzheimerkrankheit.

Zwischenbericht

Mit bildgebenden Verfahren lassen sich im menschlichen Gehirn mehrere Netzwerke synchroner Aktivität unter Ruhebedingung abbilden. Diese Netzwerke umspannen weit verteilte Hirnregionen und sind ein Maß für interregionale, neuronale Kommunikation. Bei der Alzheimer Krankheit sind einige dieser Netzwerke beeinträchtigt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit mathematischen Methoden Maße für diese Netzwerkkonnektivität zu finden, die ein besseres Verständnis der Vorgänge im Gehirn eines Patienten erlauben.

In der ersten Hälfte des Förderzeitraums haben wir zunächst ein umfassendes Kollektiv an Patienten mit Verdacht auf Alzheimerkrankheit untersucht. Dies umfasst eine Ruhe-fMRT Messung im Kernspintomografen und eine ausführliche psychologische Untersuchung. Parallel hierzu haben wir drei Konnektivitätsmaße entwickelt, die eine Beurteilung der Ruhe-Hirnnetzwerke auf verschiedenen Ebenen erlauben. Dazu zählen Maße
regionaler Synchronizität innerhalb einer Hirnregion sowie Maße inter-regionaler, synchroner
Aktivität innerhalb und über Netzwerke hinweg.

Mit diesen Markern finden wir bereits frühzeitig Abweichungen in typischen Hirnregionen, die im fortgeschrittenen Stadium auch strukturelle Defekte und Ablagerungen zeigen. Im Fortgang des Projekts werden diese Maße nun auf ihren prädiktiven Wert zur Diagnostik untersucht und dazu mit bereits etablierten diagnostischen Methoden wie psychologischen Tests und struktureller Bildgebung verglichen.

Abschlussbericht

Wir untersuchen das menschliche Gehirn und seine dynamische, synchrone Aktivität unter Ruhe mit bildgebenden Verfahren. Diese intrinsische Hirnaktivität umspannt Netzwerke weit verteilter Hirnregionen und ist ein Maß für interregionale, neuronale Kommunikation. Bei der Alzheimer Krankheit sind einige dieser Netzwerke beeinträchtigt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit mathematischen Methoden Maße für diese intrinsische Netzwerkkonnektivität zu finden, die ein besseres Verständnis der Vorgänge im Gehirn eines Patienten erlauben.

In der ersten Hälfte des Förderzeitraums haben wir zunächst ein umfassendes Kollektiv an Patienten mit Verdacht auf Alzheimerkrankheit untersucht. Dies umfasst eine Ruhe-fMRT Messung im Kernspintomografen und eine ausführliche psychologische Untersuchung. Parallel hierzu haben wir drei Konnektivitätsmaße entwickelt, die eine Beurteilung intrinsischer Hirnnetzwerke auf verschiedenen Ebenen erlauben. Dazu zählen Maße regionaler Synchronizität innerhalb einer Hirnregion sowie Maße inter-regionaler, synchroner Aktivität innerhalb und über Netzwerke hinweg. Mit diesen Markern finden wir bereits frühzeitig Abweichungen in typischen Hirnregionen, die im fortgeschrittenen Stadium auch strukturelle Defekte und Ablagerungen zeigen.

Im zweiten Teil der Förderperiode haben wir zusätzliche Hirnmaße zur Abbildung alzheimerspezifischer Netzwerkveränderungen entwickelt und werden diese nun zusammen mit den intrinsischen Netzwerkmaßen auf ihren prädiktiven Wert zur Diagnostik der Alzheimer Erkrankung untersuchen.

Wissenschaftliche Publikationen auf Basis des geförderten Projekts

Neufang, S., Akhrif, A., Riedl, V., Förstl, H., Kurz, A., Zimmer, C., Sorg, C., Wohlschläger, A.M. (2013). Predicting effective connectivity from resting-state networks in healthy elderly and patients with prodromal Alzheimer's disease. Human Brain Mapping, 35(3):954-63.

Shao, J., Myers, N., Yang, Q., Feng, J., Plant, C., Böhm, C., Förstl, H., Kurz, A., Zimmer, C., Meng, C., Riedl, V., Wohlschläger, A., Sorg, C. (2012). Prediction of Alzheimer's disease using individual structural connectivity networks. Neurobiology of Aging, 33(12):2756-65.

Sorg, C., Myers, N., Redel, P., Bublak, P., Riedl, V., Manoliu, A., Perneczky, R., Grimmer, T., Kurz, A., Förstl, H., Drzezga, A., Müller, H.J., Wohlschläger, A.M., Finke, K. (2012). Asymmetric Loss of Parietal Activity Causes Spatial Bias in Prodromal and Mild Alzheimer's Disease. Biological Psychiatry, 71(9):798-804.

Neufang, S., Akhrif, A., Riedl, V., Förstl, H., Kurz, A., Zimmer, C., Sorg, C., Wohlschläger, A.M. (2011). Disconnection of frontal and parietal areas contributes to impaired attention in very early Alzheimer's disease. Journal of Alzheimer’s Disease, 25(2):309-21.


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